碳质结构，其制造方法，含碳质结构电极材料，含碳质结构催化剂及含电极材料的储能装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种碳质结构，其制造方法，包含该碳质结构的电极材料，包含该碳质结构的催化剂，以及包含该电极材料的储能装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳质结构，其制造方法，含碳质结构电极材料，含碳质结构催化剂及含电极材料的储能装置
本公开涉及一种包含通过一个或多个开放的孔通道与外部连接的一个或多个中空内部隔室的碳质结构及其制备方法，包含所述碳质结构的电极材料，包含所述电极材料的储能装置，以及包含所述碳质结构的催化剂。
技术介绍
为了响应近期的原油价格上涨和绿色能源政策，已经颁布和执行了减少化石燃料的能源政策。至于韩国，97％的国家总能源来自进口，年平均能源消耗增长率达到1.1％并且化石燃料占总能源的83％，而且韩国产生的二氧化碳比发达国家多，因此，随着根据气候变化公约和国际环境法规对温室气体排放法规的加强，它的产业竞争力削弱。在这些环境法规和能源政策之下，环保型电动车辆和智能电网受到了很多关注，因此，需要开发储能装置并且其正在迅速增长。二次电池是构成储能装置的关键部件。二次装置是指被构造成将电能转换成待储存的化学能、然后在必要时将储存的化学能转换成要使用的电能的电池，并且包括电极材料、电池/电容器、模块/组/电池管理系统等。这样的二次装置可包括锂离子电池、锂离子聚合物电池、金属空气电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、镁离子电池、钠离子电池、镍氢电池、NiCd电池等，并且关于其部件以及超级电容器的材料和部件的技术也属于二次电池技术。二次电池的范围可以取决于应用目的而分类为小型储能系统，例如移动技术；中型储能系统，例如电动汽车和家用锂电池单体电池/模块；以及大型储能系统，例如大型电池。电容器是指被构造成存储电力的装置，即蓄电池。特别地，超级电容器是指电容非常高的超高容量电容器，也称为电化学电容器，并且与利用化学反应的电池不同，其利用由离子向电极和电解质之间的界面的简单移动或表面化学反应引起的充电现象。因此，超级电容器可以高速充电和放电并具有高充电/放电效率和半永久性循环寿命，因此已被用作辅助电池或电池替代品，并且随着近来新的可再生能源显著增加，超级电容器作为主要储能装置受到了很多关注。特别是，就确保能量而言，超级电容器可以用于利用风力、太阳光和燃料电池发电，因此，可以稳定地获得电能并供应高质量的电力。利用活性炭作为电极和电双层电荷吸附作为机理的电双层电容器(EDLC)被构造成通过物理吸附来存储电能，因此，与二次电池不同，EDLC不存在因充电/放电引起的寿命减少问题，因此在维护方面具有优势，并且由于它的诸如高速充电和高功率之类的优点而受到很多关注。然而，EDLC的缺点是比储能容量为100Wh/kg或更高的锂离子电池小得多。锂离子电池具有高能量密度，因此已被供应为移动电话、PC和数码相机的电源，并且它们的用途已扩展到混合动力汽车或电动车辆的电源，但仍然存在一些先决条件，例如串联安全性和循环特性。因此，需要开发作为能够以高能量密度高速充电和放电的电容器的混合超级电容器，并且正在进行对各种领域的应用研究。此外，当生产超级电容器时，用于形成电极的活性炭占材料成本的43％，这意味着电极是决定超级电容器的特性和价格的主要部件，因此，需要考虑高效率和经济可行性。除了已通常用作碳质电极材料的活性炭之外，还有各种代用材料。具体地，其例子可包括石墨烯、碳洋葱、碳纳米管、碳化物诱发型碳和模板化碳。特别地，石墨烯具有优异的物理和电学性质并且是引人注目的新材料。然而，为了显示它的优异性质，石墨烯需要被剥离至原子层厚度，并且这样的机械剥离具有低产率。因此，目前，最常用的是通过化学过程制备氧化石墨烯然后将氧化石墨烯还原来获得还原石墨烯的方法。然而，使用高温还原性气体的还原方法不适合大规模生产并增加了单位生产成本。在重复的离子嵌入/脱嵌反应期间，电极结构的高能量密度以及优异的功率密度和稳健的循环寿命对于满足未来电化学储能系统例如混合动力插电式电动车辆(HPEV)和甚至是纯电动车辆(EV)的更具挑战性的性能标准至关重要。目前，虽然具有高功率密度以及稳健的循环寿命的电化学电容器(EC)对于许多储能装置具有巨大的潜力，但主要的电化学能量存储仍然停留在具有高能量密度的锂离子电池(LIB)上。这是因为与LIB相比，EC具有相对低的比能量密度。此外，发现仅使用单独的LIB或EC，由于它的补充离子存储机制，不能同时提供高能量和功率密度。在这种观点中，锂离子混合电容器(LHC)最近已被提议为有前景的能量存储之一，因为LHC可以在电池型阳极以及电容器型阴极的结合中利用电池和电容器储能机制。然而，由于在阳极和阴极电极材料的全电池构造中的多个个障碍，例如动力学不平衡和容量差，实现高性能LHC存在其它挑战。同时发现，LHC的阳极电极中的转化或合金化反应对于高容量而言更佳。能够引起合金化反应的Sn金属是实现用于LHC的阳极电极的极佳候选物之一，因为Sn金属的990mAhg-1的高理论比容量和对比Li/Li+的～0.25V的工作电位具有提供下一代能量存储所需的更高能量密度的潜力，而Sn金属的大体积膨胀，在合金化反应期间通常达到300％，可能导致Sn金属的粉碎和电子/离子传输的中断。这进而引起快速容量衰减，由此导致充电/放电的循环寿命短和倍率性能差。克服这些缺点的一种方法是将电极的晶粒的平均尺寸减小到几纳米的尺度，因为超细纳米粒子(NP)可以减轻由大的粒子体积变化引起的应变并延迟粉碎。问题在于，即使在简单基板上的超细金属NP也可能在重复氧化还原循环期间附聚，由此最终在重复放电/充电循环期间引起容量衰减。韩国专利No.10-0866311公开了一种制备富氮纳米多孔石墨碳氮化物结构的方法。
技术实现思路
技术问题本公开的构思是提供一种包含通过一个或多个开放的孔通道与外部连接的一个或多个中空内部隔室的碳质结构及其制备方法，包含所述碳质结构的电极材料，包含所述电极材料的储能装置，以及包含所述碳质结构的催化剂。然而，本公开要解决的问题不限于上述问题。虽然本文没有描述，但是本领域技术人员从以下描述中可以清楚地了解本公开要解决的其它问题。技术手段根据本公开的第一方面，提供了一种碳质结构，其包含：一个或多个中空内部隔室，其中每个中空内部隔室通过在所述碳质结构中形成的一个或多个开放的孔通道与外部以及与其相邻的一个或多个中空内部隔室连接，并且所述碳质结构包含碳质基质。根据本公开的第二方面，提供了一种电极材料，其包含：包含一个或多个中空内部隔室的碳质结构，其中每个中空内部隔室通过在所述碳质结构中形成的一个或多个开放的孔通道与外部以及与其相邻的一个或多个中空内部隔室连接，并且所述碳质结构包含碳质基质。根据本公开的第三方面，提供一种储能装置，其包含根据第二方面的电极材料，其中所述电极材料包含：包含一个或多个中空内部隔室的碳质结构，每个中空内部隔室通过在所述碳质结构中形成的一个或多个开放的孔通道与外部以及与其相邻的一个或多个中空内部隔室连接，并且所述碳质结构包含碳质基质。根据本公开的第四方面，提供了一种制备碳质结构的方法，所述方法包括：将含有碳前体和软模板的溶液注入硬模板，然后碳化碳前体并除去软模板和硬模板以得到包含一个或多个中空内部隔室的碳质结构，其中所述碳质结构包含通过碳前体的碳化形成的碳质基质，并且每个中空内部隔室通过一个或多个开放的孔通道与外部以及与其相邻的一个或多个中空内部隔室连接，所述开放的孔通道通过除去软模板在所述碳质结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳质结构，包括：一个或多个中空内部隔室，其中每个所述中空内部隔室通过在所述碳质结构中形成的一个或多个开放的孔通道与外部以及与其相邻的一个或多个中空内部隔室连接，并且其中所述碳质结构包含碳质基质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.12 KR 10-2016-01032951.一种碳质结构，包括：一个或多个中空内部隔室，其中每个所述中空内部隔室通过在所述碳质结构中形成的一个或多个开放的孔通道与外部以及与其相邻的一个或多个中空内部隔室连接，并且其中所述碳质结构包含碳质基质。2.根据权利要求1所述的碳质结构，其中所述碳质基质还包含周期表第15族的元素。3.根据权利要求1所述的碳质结构，其中所述碳质基质还包含N、P、As、Sb或Bi元素。4.根据权利要求1所述的碳质结构，还包含由每个所述中空内部隔室包封的一种或多种粒子。5.根据权利要求4所述的碳质结构，其中由每个所述中空内部隔室包封的所述粒子的尺寸是从原子尺寸水平至1μm以下。6.根据权利要求4所述的碳质结构，其中所述粒子是半导电的或导电的。7.根据权利要求4所述的碳质结构，其中所述粒子包含一种或多种选自由Si、Fe、Ni、Co、Al、Ge、Sn、Mn、Ti、V、Cu、Zn、W、Ag、Pt、Ga、P、Au、Sb、Te、Pb、Bi、Cd和S组成的组中的元素。8.根据权利要求1所述的碳质结构，其中所述中空内部隔室的尺寸是100μm或更小。9.根据权利要求1所述的碳质结构，其中所述一个或多个开放的孔通道具有中孔度。10.根据权利要求2所述的碳质结构，其中相对于100重量份的所述碳质结构，包含在所述碳质基质中的所述周期表第15族的元素的含量为50重量份或更少。11.根据权利要求1所述的碳质结构，其中所述碳质结构的比表面积在10m2g-1至4,000m2g-1的范围内。12.根据权利要求1所述的碳质结构，其中所述碳质结构具有球形粒子、椭圆形粒子、多面体、纳米管、纳米棒、纳米带、纳米柱或纳米板的形状。13.一种电极材料，包含：包含一个或多个中空内部隔室的碳质结构，其中每个所述中空内部隔室通过在所述碳质结构中形成的一个或多个开放的孔通道与外部以及与其相邻的一个或多个中空内部隔室连接，并且其中所述碳质结构包含碳质基质。14.根据权利要求13所述的电极材料，其中所述碳质基质还包含周期表第15族的元素。15.根据权利要求13所述的电极材料，其中所述碳质基质还包含N、P、As、Sb或Bi元素。16.根据权利要求13所述的电极材料，其中所述碳质结构还包含由每个所述中空内部隔室包封的一种或多种粒子。17.根据权利要求16所述的电极材料，其中由每个所述中空内部隔室包封的所述粒子的尺寸是从原子尺寸水平至1μm以下。18.根据权利要求16所述的电极材料，其中所述粒子是半导电的或导电的。19.根据权利要求16所述的电极材料，其中所述粒子包含一种或多种选自由Si、Fe、Ni、Co、Al、Ge、Sn、Mn、Ti、V、Cu、Zn、W、Ag、Pt、Ga、P、Au、Sb、Te、Pb、Bi、Cd和S组成的组中的元素。20.一种储能装置，包含根据权利要求13至19中任一项所述的电极材料，其中所述电极材料包含：包含一个或多个中空内部隔室的碳质结构，其中每个所述中空内部隔室通过在所述碳质结构中形成的一个或多个开放的孔通道与外部以及与其相邻的一个或多个中空内部隔室连接，并且其中所述碳质结构包含碳质基质。21.根据权利要求20所述的储能装置，其中所述电极材料用作阳极和/或阴极。22.根据权利要求20所述的储能装置，其中所述碳质基质还包含周期表第15族的元素。23.根据权利要求22所述的储能装置，其中所述电极材料用阴极。24.根据权利要求20所述的储能装置，其中包含在所述电极材料中的所述碳质结构还包含由每个所述中空内部隔室包封的一种或多种粒子。25.根据权利要求24所述的储能装置，其中由每个所述中空内部隔室包封的所述粒子的尺寸是从原子尺寸水平至1μm以下。26.根据权利要求24所述的储能装置，其中所述粒子...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜正九，元钟皓，郑炯模，
申请(专利权)人：韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：韩国,KR