一种电极材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种电极材料、制备方法及其应用，该电极材料以煤沥青为碳源，以纳米氧化钙为模板剂，以氢氧化钾为活化剂；通过以下步骤制备而成：S1、按质量份数称取原料；S2、将原料磨成粉末并混合；S3、将混合样品放入管式炉并通入惰性气体；S4、加热碳化；S5、酸洗去除纳米氧化钙；S6：蒸馏水洗涤；S7、将电极材料烘干；本发明专利技术的方法制备的电极材料具有比表面积较大、孔径分布范围恰当和氧元素含量高的特点，这些特点使得电极材料的比表面积使用率高、比电容高、能量密度高、循环性能好，可以作为超级电容器用电极材料。

A kind of electrode material, preparation method and Application

The invention provides an electrode material, a preparation method and an application thereof. The electrode material takes coal tar pitch as the carbon source, nanometer calcium oxide as the template, and potassium hydroxide as the activator. The electrode material is prepared by the following steps: S1. Weigh the raw material according to the mass fraction; S2. Grind the raw material into powder and mix it; S3. Put the mixed sample into a tube furnace and introduce inert gas; S4. Heat carbon The electrode material prepared by the method of the invention has the characteristics of large specific surface area, appropriate pore size distribution range and high oxygen content, which makes the electrode material have high specific surface area utilization rate, high specific capacitance, high energy density and good cycling performance, and can be used as super electricity Electrode materials for containers.

【技术实现步骤摘要】
一种电极材料、制备方法及其应用
本专利技术属于电化学
，具体属于电极材料制备
，特别涉及一种电极材料、制备方法及其应用。
技术介绍
超级电容器是一种新型的储能装置，超级电容器，又称为电化学电容器，是建立在界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。传统电池能量密度较高，功率密度较低，而传统电容器恰好相反，其功率密度较高，能量密度却不足。超级电容器的性能正是兼顾了二者的特点，有效弥补了电容器和电池之间的空白。电极材料是超级电容器的关键材料，电极材料可以使用多孔碳，论文(QWang,JYan,TWei,etal.Two-dimensionalmesoporouscarbonsheet-likeframeworkmaterialforhigh-ratesupercapacitors[J].Carbon,2013,60:481-487)中以煤沥青为前驱体，SiO2纳米片为模板制备出比表面积仅为582.7m2/g的中孔碳材料，作为超级电容器电极材料时比电容高达264F/g；论文(HTeng,YJChang,CTHsieh.Performanceofelectricdouble-layercapacitorsusingcarbonspreparedfromphenol-formaldehyderesinsbyKOHetching[J].Carbon,2001,39(3):1981-1987)中采用酚醛树脂为原料制备超级电容器用电极材料，电极材料的比表面积为1900m2/g，作为超级电容器电极材料时比电容仅为100F/g。由上述材料可见，比表面积高，比电容不一定大，比电容还受到多孔碳孔径分布的影响，如何将电极材料的孔径调整至合适范围是一个关键问题。论文(YRNian,HTeng.Nitricacidmodificationofactivatedcarbonelectrodesforimprovementofelectrochemicalcapacitance[J].JournalofElectrochemicalSociety,2002,149(8):A1008-1014)中表明，多孔碳材料表面官能团性质对电极材料的电化学性能同样有比较大的影响，含氧官能团的增加，可以改善电极材料的电化学性能。因此，如何制备出氧元素含量较高的多孔碳是提高电极材料电化学性能的另一个关键所在。因此，本专利技术致力于开发一种比表面积较大、孔径分布范围恰当和氧元素含量高的超级电容器用电极材料。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的第一个目的是提供一种电极材料，其比表面积较大、孔径分布范围恰当，氧元素含量较高。本专利技术的第二个目的是提供一种电极材料的制备方法，其以煤沥青为碳源，通过分段升温煅烧过程最大程度的保留了电极材料中的氧元素。本专利技术的第三个目的是提供一种电极材料在超级电容器方面的应用。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：技术方案一：一种电极材料，其以煤沥青为碳源，以纳米氧化钙为模板剂，以氢氧化钾为活化剂；其比表面积为1180m2/g-2400m2/g,总孔容为0.76-1.26m3/g，平均孔径为2.13nm～2.58nm，孔径分布在0-3.5nm；其含有C元素、N元素和O元素，C元素含量为86-91％，N元素含量为1.16-1.31％，O元素含量为8.34-12.11％；其中O元素中C＝O含量为4.53-5.26％、C-O含量为3.81-6.00％、O-H含量为0-1.21％。所述的电极材料的内阻用恒流充放电实验的IR压降值表示，所述电极材料的恒流充放电实验的IR压降值可低至0.0064V；所述的电极材料，在电流密度为0.05A/g的条件下，比电容为167-244F/g；电流密度为20A/g时，比电容为132-183F/g。所述的电极材料，在2A/g的电流密度条件下进行10000次循环充放电，所述电极的比电容保持率≥93.9％。作为本专利技术的进一步改进，本专利技术的电极材料包括如下原料：煤沥青2-3份、纳米氧化钙4-7份以及氢氧化钾8-12份。煤沥青是煤干馏得到的煤焦油再经蒸馏提取馏分后的残留物，在常温常压下其产品呈黑色粘稠液体状，是由5000多种三环以上多环芳香族化合物和少量与炭黑相似的高分子物质构成的多相体系和高碳物料。煤沥青中含有的主要元素是碳和氢，其中碳质量大于90％，氢含量一般不超过5％。煤沥青是一种组成与结构非常复杂的混合物。其基本组成单元是多环、稠环芳烃及其衍生物，大多数为三环以上的芳香族烃类，还有含氧、氮和硫等元素的杂环化合物和少量高分子碳素物质。技术方案二：一种电极材料的制备方法，包括如下步骤：S1、按照质量份数配比称取原料；S2、将煤沥青、氢氧化钾和纳米氧化钙分别研磨至粒度小于180目，然后混合均匀，得混合样品；S3、将S2中的混合样品转移至刚玉舟中，再将刚玉舟放入管式炉中，并通入惰性气体；S4、设置升温程序、加热并自然冷却；S5、将冷却后的刚玉舟从管式炉中取出，并酸洗烧制后的碳材料；S6、将上述混合酸溶液中的固体和液体分离，并用蒸馏水洗涤固体3-4次，直至固体的pH为6-7；S7、干燥即得产品。作为本专利技术的进一步优选，步骤S3中的惰性气体为氩气，流量为30-40ml/min。作为本专利技术的进一步优选，步骤S4中，升温程序如下：初始温度为20-30℃，升温速率为3-5℃/min,当温度上升至150-155℃时，保温25-35min,再以3-5℃/min将温度升至800-900℃，保温60-70min，最后自然降温。从150℃开始到200℃之前，煤沥青干燥脱水、脱气，处于熔融软化阶段，失重速度较小。分段升温，让煤沥青充分熔融软化脱水脱气。作为本专利技术的进一步优选，步骤S5中，酸洗过程采用稀盐酸，盐酸酸洗烧制后的碳材料的具体过程为：将烧制后的碳材料研磨成粒度＜120目的粉末碳材料，再将粉末碳材料放入烧杯中，向烧杯中加入1-2mol/L的盐酸，盐酸的摩尔量为纳米氧化钙的2.4-2.6倍，用磁力搅拌器搅拌上述混合盐酸溶液20-24h。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤S6中，蒸馏水洗涤固体的具体过程为：将固体放入烧杯中，并加入温度为80-90℃的蒸馏水，蒸馏水的体积为烧杯容积的2/3-4/5，再用玻璃棒搅拌5-10min，然后用减压抽滤的方式将固体和蒸馏水分离。作为本专利技术的进一步优选，S7中干燥过程在鼓风干燥箱中进行，干燥温度为110-115℃，干燥时间为24h。技术方案三：电极材料在超级电容器方面的应用。本专利技术具有如下技术效果：本专利技术是以纳米氧化钙为模板，材料具有典型的片状薄膜结构，这样的片状结构使得碳材料中有更多的区域与活化造孔剂KOH接触而形成更多的孔道，薄膜的表面包含有大量的无规则的孔，从而具有更高的比表面积和总孔容，材料中大量的微孔和介孔并存的分级多孔结构，孔径分布比较合理，中孔比例比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极材料，其特征在于：其以煤沥青为碳源，以纳米氧化钙为模板剂，以氢氧化钾为活化剂；/n其比表面积为1180m

【技术特征摘要】
1.一种电极材料，其特征在于：其以煤沥青为碳源，以纳米氧化钙为模板剂，以氢氧化钾为活化剂；
其比表面积为1180m2/g-2400m2/g,总孔容为0.76-1.26m3/g，平均孔径为2.13nm～2.58nm，孔径分布在0-3.5nm；其含有C元素、N元素和O元素，C元素含量为86-91％，N元素含量为1.16-1.31％，O元素含量为8.34-12.11％；其中O元素中C＝O含量为4.53-5.26％、C-O含量为3.81-6.00％、O-H含量为0-1.21％。


2.根据权利要求1所述的一种电极材料，其特征在于，按质量份计，包括如下原料：煤沥青2-3份、纳米氧化钙4-7份以及氢氧化钾8-12份。


3.一种如权利要求1或2所述的电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按照质量份数配比称取原料；
S2、将煤沥青、氢氧化钾和纳米氧化钙分别研磨至粒度小于180目，然后混合均匀，得混合样品；
S3、将S2中的混合样品转移至刚玉舟中，再将刚玉舟放入管式炉中，并通入惰性气体；
S4、设置升温程序、加热并自然冷却；
S5、将冷却后的刚玉舟从管式炉中取出，并酸洗烧制后的碳材料；
S6、将上述混合酸溶液中的固体和液体分离，并用蒸馏水洗涤固体3-4次，直至固体的pH为6-7；
S7、干燥即得产品。


4.根据权利要求3所述的一种电极材料的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓婷，朱博文，金亦琦，何孝军，马浩，汪静娴，
申请(专利权)人：安徽工业大学，安徽省马鞍山市第七中学，
类型：发明
国别省市：安徽;34