自支撑多孔碳电极材料制造技术

自支撑多孔碳电极材料，其制备方法包括：将柠檬酸、尿素以及乙二醇为代表的反应物在中性酸碱度条件下进行恒温溶胶凝胶反应生成胶状前驱体，之后在惰性气氛保护下对胶状前驱体进行热解处理得到多孔碳电极材料。本发明专利技术能够以简单可控的方法低成本生产高性能氮掺杂多孔碳电极材料。孔碳电极材料。

【技术实现步骤摘要】
自支撑多孔碳电极材料


[0001]本专利技术涉及一种自支撑多孔碳电极材料。

技术介绍

[0002]目前，以锂离子电池、钠离子电池、超级电容器和全固态电池等为代表的新能源器件引起广大科研工作者的兴趣。电池的性能与电极材料的物理化学性质息息相关。碳材料由于具备较大的比表面积、良好的导电性和耐酸碱性、资源丰富、成本低等优势，已经成为商业化电极材料。为了提升储能器件的能量密度，提高电极材料的载量和厚度至关重要。传统电极的制备工艺是将碳颗粒、导电颗粒和粘结剂机械混合后刮涂在集流器体。这种制备工艺难以得到高性能的厚电极。主要原因如下：(1)粘结剂是不导电且憎水的，会降低电极的电子和离子的导电性；(2)粘结剂和集流体是电化学惰性的，不会贡献储能容量，而且质量占到了电极了2/3，因此会降低整体电池器件的能量密度；(3)远离集流体的部分活性物质与集流体间的粘结性下降明显，活性物质之间的粘结力不佳，导致高负载电极材料从集流上脱落。
[0003]为避免上述问题，还出现了以下各种自支撑、无需粘结剂的高负载碳材料电极。1、利用木材等具备一定力学强度的天然材料作为前驱体经过一步碳化、活化得到自支撑多孔碳；但是这些天然多孔物质的组分、孔结构已经较为固定，进一步的调控难度比较大。2、利用低维度的材料组装成自支撑三维多孔碳，比如冰模法、静电组装、真空抽滤、静电纺丝等；但是这些方法工艺较为复杂、需要特殊的工艺设备、产率不高。3、利用多孔金属泡沫作为载体经化学气相沉积构建自支撑碳电极；但是该方法能耗大、制备过程复杂、生产成本高等影响其实际应用。4、利用Pd/Cu催化交联有机高聚物衍生的微孔丰富的多孔碳，但这需要用到昂贵金属催化剂和有毒的四氢呋喃溶剂。5、相分离制备的多孔聚合物经过碳化也能得到自支撑的多孔碳电极，比如利用两性聚离子液体通过组装形成超分子交联前驱体，经相分离、碳化得到了多孔碳膜；但其制备过程比较复杂，溶剂置换过程要消耗大量的有机溶剂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种多孔碳电极材料，其能避免或改善
技术介绍
部分所提及的相关缺陷。
[0005]根据本专利技术的第一方面，提供了一种碳电极材料制备方法，其包括：
[0006]提供含羧基的第一反应物，其中第一反应物选自柠檬酸、海藻酸钠、羧甲基纤维素、羧甲基甲壳素、羧甲基壳聚糖、蛋白质和腐植酸中的至少一种；
[0007]提供含羟基的第二反应物，其中第二反应物选自乙二醇、乙醇、甲醇、间苯二酚、苯酚、丙醇和丙三醇中的至少一种；
[0008]提供含氨基的第三反应物，其中第三反应物选自尿素、三聚氰胺、二乙醇胺、聚乙烯胺、聚丙烯酰胺、壳聚糖中的至少一种；
[0009]将第一反应物和第三反应物加水溶解后与第二反应物混合形成反应溶液，其中第
一反应物与第三反应物的质量比为：(4：1)～(1：2)，第一反应物与第二反应物的质量比为：(2：1)～(1：4)；
[0010]将反应溶液pH值调节为7左右；
[0011]将反应溶液在80～140℃下反应5～10小时，直至生成胶状前驱体；以及
[0012]惰性气氛保护下对胶状前驱体进行热解处理以得到多孔碳电极材料，其中热解处理过程的升温速率在5℃/min以下，升至600～1300℃的热解温度后恒温0.5～4h。
[0013]根据本专利技术的一个优选实施方式，第一反应物为柠檬酸、第二反应物为乙二醇并且第三反应物为尿素，三者的质量比大致为1：1：1。
[0014]根据本专利技术的另一个优选实施方式，反应温度为130℃左右，反应时间为7h左右。
[0015]根据本专利技术的另一个优选实施方式，热解升温速率为2℃/min左右，热解温度为800℃左右，恒温热解时间为2h左右。
[0016]根据本专利技术的又一个优选实施方式，还可以包括对所制得的碳电极材料进一步进行物理或化学活化造孔。
[0017]本专利技术的惰性气氛可以采用氮气或氩气等。
[0018]根据本专利技术的第二方面，还提供了一种电极，由根据上述方法所制备的碳电极材料形成。
[0019]根据本专利技术，由上述碳电极材料形成所需尺寸的电极之后，进一步对电极进行活化造孔。优选在保护气氛下通过热处理进行活化造孔。保护气氛优选采用二氧化碳气体，热处理温度优选为700℃至900℃，更优选为800℃左右。时间优选为10小时以下，更优选为7
‑
9小时。通过控制包括温度和时间在内的热处理活化造孔手段，不但可以优化孔隙度，还可以同时调控碳电极的氮含量在理想范围之内，并能够保障碳电极自身的支撑强度(自支撑物理性能)。
[0020]根据本专利技术的其它方面，还提供了具有上述电极的电容或电池。
[0021]本专利技术至少具有如下优点：
[0022]1、本专利技术得到的自支撑碳电极，能够避免使用不导电粘结剂，因此电极材料本身的导电性得到提升。另外，还同时避免了质量较重的集流体的使用，不存在电极材料与集流体间的接触电阻，从而整体提升了电极的电子传输效率。此外，这些非活性物质质量和体积的减少，不仅降低成本支出，还能够让单位面积或单位体积内的活性物质量增加，对于电池整体能量密度提升非常有利。
[0023]2、传统颗粒碳电极在长期电池充放电过程中，粘结剂强度逐渐减弱，颗粒间粘结性受到影响，使得活性物质容易剥离、脱落和开裂，降低了电极的稳定性和电池的寿命。而本专利技术的自支撑碳电极，具有良好的力学稳定性，自成一体碳骨架，有助于电池循环稳定性的提高。
[0024]3、本专利技术能够以简单可控的低成本方法生产电极材料。
[0025]4、本专利技术可以灵活实现碳材料的多组分调控。另外，本专利技术的分子交联形成网络结构这种策略，使其能够与造孔的模板结合，比如常见的二氧化硅硬模板法、盐模板化和软模板法等，通过分子交联的前驱体将这些模板分子均匀包在内部，经碳化后续处理，便可以对碳材料本身孔结构进行调控，从而还便于孔结构的进一步后续优化。
[0026]5、本专利技术还可以调节或丰富氮元素掺杂量。氮掺的多孔碳在电化学多种应用中有
良好的效果，比如电催化、赝电容器、提升钠离子电池容量等等。因此，本专利技术还可以通过可控调节来获得丰富合适的氮掺杂量，从而能够提升碳材料的导电性和亲水性，并因此提升碳电极性能。
附图说明
[0027]图1是根据本专利技术最佳测试例所组装的电容器在不同电流密度下的充放电曲线；
[0028]图2是根据本专利技术最佳测试例所组装的电容器与根据对比例所组装的电容器在电流密度为10mAcm
‑2时的充放电曲线。
[0029]图3是根据本专利技术最佳测试例所组装的电容器与根据对比例所组装的电容器在不同电流密度下的面积比电容值。
具体实施方式
[0030]以下结合附图，通过具体实例详细说明本专利技术。
[0031]实施例：制备自支撑多孔碳电极材料
[0032]步骤(1)：称取20g柠檬酸，20g尿素，常温下溶于35mL的去离子水中，再加入25mL的乙二醇，磁力搅拌5h，溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳电极材料制备方法，包括：提供含羧基的第一反应物，其中第一反应物选自柠檬酸、海藻酸钠、羧甲基纤维素、羧甲基甲壳素、羧甲基壳聚糖、蛋白质和腐植酸中的至少一种；提供含羟基的第二反应物，其中第二反应物选自乙二醇、乙醇、甲醇、间苯二酚、苯酚、丙醇和丙三醇中的至少一种；提供含氨基的第三反应物，其中第三反应物选自尿素、三聚氰胺、二乙醇胺、聚乙烯胺、聚丙烯酰胺、壳聚糖中的至少一种；将第一反应物和第三反应物加水溶解后与第二反应物混合形成反应溶液，其中第一反应物与第三反应物的质量比为：(4：1)～(1：2)，第一反应物与第二反应物的质量比为：(2：1)～(1：4)；将反应溶液pH值调节为7左右；将反应溶液在80～140℃下反...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴川，吴锋，刘明权，白莹，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：