本发明专利技术提供一种活性炭材料、复合材料、锌离子储能器件的阴极材料及阴极片和锌离子储能器件，该活性炭材料的比表面积为1800～2600m2/g；所述活性炭材料的孔的总体积为1.10～1.70cm3/g，其中，孔径小于1nm的微孔的体积占孔的总体积的1～13％，孔径为1～10nm的介孔的体积占孔的总体积的48～58％，孔径大于10nm的大孔的体积占孔的总体积的29～41％。本发明专利技术的活性炭材料具有合理的分级孔道结构，其与金属材料复合，能够很好地将金属材料限制在该活性炭材料的分级孔道结构中，且得到的复合材料应用于锌离子储能器件阴极，最大程度地激发锌离子储能器件的电容性能，具有高容量及优异的循环稳定性。循环稳定性。
【技术实现步骤摘要】
活性炭材料、复合材料、锌离子储能器件的阴极材料及阴极片和锌离子储能器件
[0001]本专利技术涉及碳材料
，尤其涉及一种活性炭材料、复合材料、锌离子储能器件的阴极材料及阴极片和锌离子储能器件。
技术介绍
[0002]人们对环境问题的日益关注，以及减少温室气体排放的需要，使得全球对经济可持续能源储存的需求不断加剧。随着人们对于电化学储能装置的需求不断提升，有限的锂资源开始成为制约锂离子电池大规模应用的关键问题。因此在大规模储能领域，原材料储量丰富的锌离子电池(ZIBs)开始受到人们的广泛关注。金属锌负极具有ZIBs电极材料中最高的比容量，是理想的阳极材料，因而开发安全、环保、廉价的ZIBs阴极储能材料具有重大意义。
[0003]传统ZIBs作为一种新型储能器件相比于传统的锂离子电池具有更高的安全性和更好的环境友好性等特点因而备受青睐。ZIBs中的电荷存储机制依赖于锌离子在金属锌负极和正极材料之间的迁移，目前锌离子电池正极材料主要有：锰基氧化物、钒基化合物、普鲁士蓝类似物、Co3O4纳米棒、聚苯胺和活性炭基材料。在各种电极材料中炭基材料由于其本身的高比表面积、优异的电子电导性和制备过程中孔径分布可调控性相比其他材料有着明显的优势。
[0004]研究发现炭基材料作为锌离子电池阴极材料也有着非常多的问题。一维碳纳米管可互联组成网络结构来有效的保证电子传导，并且它特殊的中空管道结构可作为电解液中工作离子的缓冲槽结构来实现离子的快速输运，因此可以较容易的得到优异的倍率性能；但由于其相对较低的比表面积和密度，在实际应用中需要进行额外的改性而实现高的比容量需求。二维石墨烯具备大而开放的平面，为能量存储提供了大量的活性位点，但在充放电过程中容易发生团聚和自组装现象。商业活性炭由于其成熟的制造技术和低廉的成本已经实现了大规模生产，是目前最容易获得的碳材料。商业活性炭孔道结构单一，普通活性炭比表面积在1000～1500m2/g范围内，孔体积为0.50～0.80cm3/g，主要由单一介孔孔径配合少量微孔构成无法实现高的容量。
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种活性炭材料、复合材料、锌离子储能器件的阴极材料及阴极片和锌离子储能器件，该活性炭材料的比表面积为1800～2600m2/g，孔的总体积为1.10～1.70cm3/g，高的比表面积和大的孔体积有助于活性炭材料发挥出比表面积的反应活性位点优势以及大的孔体积的高储能优势；另外，该活性炭材料的孔包括孔径小于1nm的微孔(其体积占孔的总体积的1～13％)、孔径为1～10nm的介孔(其体积占孔的总体积的48～58％)、孔径大于10nm的大孔(其体积占孔的总体积的29～41％)，其中，微孔保证了高的比表面积和更多的反应活性位点，介孔保证了活性炭材料的电荷存储能力，大孔
保证了电解液的流动，物质的传输通道，该活性炭材料具有合理的分级孔道结构，其与金属材料复合，能够很好地将金属材料限制在该活性炭材料的分级孔道结构中，且得到的复合材料应用于锌离子储能器件阴极，最大程度地激发锌离子储能器件的电容性能，具有高容量及优异的循环稳定性。
[0006]为实现以上目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种活性炭材料，所述活性炭材料的比表面积为1800～2600m2/g；所述活性炭材料的孔的总体积为1.10～1.70cm3/g，其中，孔径小于1nm的微孔的体积占孔的总体积的1～13％，孔径为1～10nm的介孔的体积占孔的总体积的48～58％，孔径大于10nm的大孔的体积占孔的总体积的29～41％；所述活性炭材料中还包括O、F、N、P、S中的至少一种杂元素。
[0008]作为上述技术方案的进一步改进，以所述活性炭材料的总质量为100％计，所述活性炭材料包括以下质量百分比的元素组分：C元素78～95％、O元素5～13％、F元素0～3％、N元素0～2％、P元素0～2.5％、S元素0～1.5％。
[0009]本专利技术还提供了一种上述的活性炭材料的制备方法，包括：
[0010]提供木本植物粉料；
[0011]将所述木本植物粉料在保护气氛或真空环境中升温碳化，得到活性粗碳材料；
[0012]将所述活性粗碳材料与活化剂混合后在保护气氛或真空环境中升温活化，得到活性炭材料。
[0013]作为上述技术方案的进一步改进，所述木本植物粉料通过将木本植物在转速为30000～35000r/min的粉碎机内进行粉碎；
[0014]优选地，所述木本植物粉料的粒径为50～300目；
[0015]优选地，所述木本植物包括杨树、梧桐树、松树、柿子树、柳树、核桃树、石榴树和冬青树中至少一种的根和/或茎；
[0016]优选地，所述升温碳化前还包括：将粉碎后的木本植物进行干燥；
[0017]优选地，所述干燥的温度为80～150℃，所述干燥的时间为12～48h；
[0018]优选地，所述升温碳化和所述升温活化均在保护气氛中进行；
[0019]优选地，所述保护气氛包括氩气、氮气、氦气和氖气中的至少一种；
[0020]优选地，所述升温碳化的条件包括：以1～10℃/min的升温速率升温至400～600℃，在400～600℃下保温1～5h。
[0021]作为上述技术方案的进一步改进，所述活化剂包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氯化亚铁、氯化铁、氯化铜、氯化钴、氯化锌、磷酸、磷酸二氢钾、硫酸氢钾、硫酸氢钠、氢氧化钙、五氧化二磷和三氟甲烷磺酸锌中的至少一种；
[0022]优选地，所述活性粗炭材料与所述活化剂的质量比为(1～1.5)：(1～2)；
[0023]优选地，所述升温活化的条件包括：以1～10℃/min的升温速率升温至800～1000℃，在800～1000℃下保温1～5h；
[0024]作为上述技术方案的进一步改进，所述制备方法还包括：对所述升温活化得到的活性炭材料进行酸洗；
[0025]优选地，所述酸洗的过程包括：将所述活性炭材料与酸溶液混合，然后进行固液分离；
[0026]优选地，所述酸溶液与所述活性炭材料的体积比为(150～300)：(1～10)；
[0027]优选地，所述酸溶液包括浓度均为0.1～1M的盐酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液、醋酸溶液、高氯酸溶液、次氯酸溶液和氢氟酸溶液中的至少一种；
[0028]可选地，所述混合的方式采用搅拌混合；优选地，所述搅拌的速率为500～1200r/min，所述搅拌的时间为0.5～2h；
[0029]优选地，所述固液分离包括过滤和离心分离中的至少一种；
[0030]优选地，所述过滤采用孔径为20～60μm的定性滤纸进行过滤；
[0031]优选地，所述酸洗后还包括：对所述酸洗后的活性炭材料进行水洗；
[0032]优选地，所述水洗后还包括：对所述水洗后的活性炭材料进行干燥；可选地，将所述水洗后的活性炭材料在60～100℃下干燥1～24h。本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种活性炭材料，其特征在于，所述活性炭材料的比表面积为1800～2600m2/g；所述活性炭材料的孔的总体积为1.10～1.70cm3/g，其中，孔径小于1nm的微孔的体积占孔的总体积的1～13％，孔径为1～10nm的介孔的体积占孔的总体积的48～58％，孔径大于10nm的大孔的体积占孔的总体积的29～41％。2.根据权利要求1所述的活性炭材料，其特征在于，所述活性炭材料中还包括O、F、N、P、S中的至少一种杂元素；优选地，以所述活性炭材料的总质量为100％计，所述活性炭材料包括以下质量百分比的元素组分：C元素78～95％、O元素5～13％、F元素0～3％、N元素0～2％、P元素0～2.5％、S元素0～1.5％。3.一种如权利要求1或2所述的活性炭材料的制备方法，其特征在于，包括：提供木本植物粉料；将所述木本植物粉料在保护气氛或真空环境中升温碳化，得到活性粗碳材料；将所述活性粗碳材料与活化剂混合后在保护气氛或真空环境中升温活化，得到活性炭材料。4.根据权利要求3所述的活性炭材料的制备方法，其特征在于，所述木本植物粉料通过将木本植物在转速为30000～35000r/min的粉碎机内进行粉碎；优选地，所述木本植物粉料的粒径为50～300目；优选地，所述木本植物包括杨树、梧桐树、松树、柿子树、柳树、核桃树、石榴树和冬青树中至少一种的根和/或茎；优选地，所述升温碳化前还包括：将粉碎后的木本植物进行干燥；优选地，所述干燥的温度为80～150℃，所述干燥的时间为12～48h；优选地，所述升温碳化和所述升温活化均在保护气氛环境中进行；优选地，所述保护气氛包括氩气、氮气、氦气和氖气中的至少一种；优选地，所述升温碳化的条件包括：以1～10℃/min的升温速率升温至400～600℃，在400～600℃下保温1～5h；优选地，所述活化剂包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂、碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氯化亚铁、氯化铁、氯化铜、氯化钴、氯化锌、磷酸、磷酸二氢钾、硫酸氢钾、硫酸氢钠、氢氧化钙、五氧化二磷和三氟甲烷磺酸锌中的至少一种；优选地，所述活性粗炭材料与所述活化剂的质量比为(1～1.5)：(1～2)；优选地，所述升温活化的条件包括：以1～10℃/min的升温速率升温至800～1000℃，在800～1000℃下保温1～5h。5.根据权利要求3所述的活性炭材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：对经所述升温活化得到的活性炭材料进行酸洗；优选地，所述酸洗的过程包括：将所述活性炭材料与酸溶液混合，然后进行固液分离；优选地，所述酸溶液与所述活性炭材料的体积...
【专利技术属性】
技术研发人员：方钊，黄文龙，彭嘉鑫，侯雪阳，李林波，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：
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