[发明专利]一种碳化颗粒材料及活性碳电极材料的制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳化颗粒材料及活性碳电极材料的制备方法和应用。该制备方法包括：在氮气或惰性气体中，对碳源前驱体进行碳化烧结，得到碳化颗粒；碳源前驱体包括淀粉；碳化烧结采用n段程序升温手段升温至保温温度，程序升温的升温速度为0.1～10℃/min，且在100℃～250℃之间的程序升温的升温速度为0.1℃～3℃，其中n为整数且n＞1。本申请对碳化烧结过程进行优化，严格控制在100℃～250℃之间的程序升温的升温速度为0.1℃～3℃，以获得高结构稳定性的碳化颗粒。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极术领域，具体而言，涉及一种碳化颗粒材料及活性碳电极材料的制备方法和应用。

背景技术

随着人类工业技术的不断发展和进步，对能源的需求也日益扩大。因此，开发使用新型可再生的清洁能源才能实现社会经济的可持续发展。目前，我国对自然能源的开发已经取得了重大进展，如风能、水能、太阳能和地热能等。但是，这些新型能源并不能够直接为工业发展所利用，必须经过能源的转化和储存才能够使用。电能作为二次能源，由于能量转化效率高，无污染，便于储存和传输等显著优势，因而占据着能源利用的主要地位。在众多电能储存设备中，超级电容器作为一种新型的储能设备，兼具了高能量密度和高功率密度的优势，填补了传统电容器和二次电池之间的储能空白。超级电容器良好的化学稳定性，使其具有较长的循环寿命和安全性。目前，超级电容器已广泛的应用在各种电子数码产品和新能源汽车的储能装置当中。

碳材料作为一种传统的超级电容器电极材料，已经实现了几十年的商业使用。然而，由于双电层电容的储能机制是通过体相表面的物理吸附进行储能，这造成了碳基电极材料较低的能量密度，限制了其作为储能材料的进一步应用。因此，为了进一步提升碳材料的能量密度，主要从以下两个方面进行：

碳前驱体的选择，提升碳材料的颗粒微观形貌，粒径大小的均一度，增加体相表面的吸附能力；

通过杂原子掺杂的方式，使杂原子进入活性碳材料碳骨架内，改变碳材料表面官能团，增加赝电容，提高材料的比电容。

在丰富的碳源当中，淀粉具有廉价、可再生、无毒无污染的优点。在碳材料制备当中，相比于其他生物质碳材料，淀粉基碳材料遗传了天然淀粉的形貌特征，具有颗粒分散均匀，大小适宜，表面光滑和独特形貌结构等优点，成为超级电容器理想的碳基材料前驱体。

但是，在用淀粉制备碳材料的过程中，会在碳化阶段导致碳颗粒出现破碎、熔并和结块等现象，对材料结构的损害较大，造成材料结构稳定性和电性能下降的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种碳化颗粒材料及活性碳电极材料的制备方法和应用，以解决现有技术中活性碳电极材料结构稳定性较差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种碳化颗粒材料的制备方法，该制备方法包括：在氮气或惰性气体中，对碳源前驱体进行碳化烧结，得到碳化颗粒；碳源前驱体包括淀粉；碳化烧结采用n段程序升温手段升温至保温温度，程序升温的升温速度为0.1～10℃/min，且在100℃～250℃之间的程序升温的升温速度为0.1℃～3℃，其中n为整数且n＞1。

进一步地，上述碳化烧结的保温温度为400～500℃，碳化烧结的保温时间为2～6h。

进一步地，上述n＝3，第一段程序升温的终点温度为80～120℃，第二段程序升温的终点温度为200～300℃，第三段程序升温的终点温度为400～500℃，优选第一段程序升温的终点温度为100℃，第二段程序升温的终点温度为250℃，第一段程序升温的速度为3～5℃/min，优选第二段程序升温的速度为0.1～1℃/min，优选第三段程序升温的速度为3～5℃/min。