电化学电池的炭电极材料及其制造方法技术

一种可充电的电化学电池，包括： 一个阴极、一种电解质和一种由无定形炭材料制成的阳极，该无定形炭材料由下式结构的具有多官能团的有机单体经缩合和还原制得： ＊＊＊ 其中Ｒ↓［１］，Ｒ↓［２］，和Ｒ↓［３］全都选自有８个或８个以下碳原子的羧酸、有８个或８个以下碳原子的羧酸酯、有８个或８个以下碳原子的醇类、有８个或８个以下碳原子的羧酸酐、胺及其组合，其中至少Ｒ↓［１］，Ｒ↓［２］，和Ｒ↓［３］中的一个与另外两个不同。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用作电化学电池的电极和材料领域，特别涉及合成所说的电极和材料的方法。
技术介绍
由于电子装置和电学器件日益变得可以携带，必须发展能量贮存系统来保证这样的可携带性。事实上，当代电子技术的一个经常的事实是限制一种给定的电学装置的可携带性的因素是相关的能量贮存装置的大小和重量。显然，可以给一种给定的电学装置制造一个小的能量贮存装置，但是要以能量容量作为代价。相反地，可以制造一种持久的能源，但这种能源又太大，难以方便地携带，结果是要么能源太大太重，要么能源不能用很长时间。用于可携带电子装置的主要能量贮存装置是电化学电池以及不经常使用的电化学电容器。在过去的几年里，已经提出了许多不同的电池装置。早期的可充电的电池装置包括铅-酸电池和镍-镉电池(Nicad)，它们都在市场上取得了相当大的成功。铅-酸电池因其坚固耐用而成为汽车和重工业的选用电池，相反地，镍-镉电池因其小或轻便而受到喜爱。近来，镍金属氢化物电池(NiMH)日益被大大小小的应用所接受。尽管上述的电池装置取得了成功，但是其它的与现有技术相比具有更大容量、更大的功率密度和更长的寿命的新电池仍在不断涌现。第一个进入市场的这样的装置是锂离子电池，这种电池已经找到了通向消费品的途径。锂聚合物电池虽然还没有进入市场，但也日益受到相当的注意。锂电池总体上包括一个由一种过渡金属氧化物材料制成的正极和一个由一种活性炭材料(如石墨或焦炭)制成的负极构成。用于制作具有高的重力势能密度的新材料一直受到大力的研究，然而到目前为止，大部分注意力集中在过渡金属氧化物电极上。总之，在电化学装置中，炭基材料的重要性不能被低估了。在能量储存和发电应用中，炭基材料作为一种活性材料组分正在受到强有力的青睐。燃料电池电极和用于各种化学反应的催化剂也用炭基材料作为一种活性组分。这些炭基材料或含炭材料一般是用作为聚合物前体的、具有双官能团的单体制成的，这样的前体的例子包括糠醇、酚、甲醛、丙酮-糠醛或糠醇-酚共聚物，其它的前体包括Jenkins等人在Polymeric Carbons-CarbonFibre，Glass and Char，Cambridge University Press，Cambridge，England(1976)中公开的聚丙烯腈和人造纤维聚合物。然后使这些前体在高达2000℃的温度下(通常是)缓慢地发生硫化和碳化过程。在这些过程中涉及两个主要步骤(1)从具有双官能团的单体经湿化学过程合成聚合物前体；和(2)前体的热解。由于这种方法涉及两步，因而总体产率相对较低，例如聚丙烯腈按常规的方法典型地只得到大约10％的可用的含炭材料，而且还把许多杂质掺入含炭材料中，损害了其电化学特性。相应地，在电化学及其它应用中有必要使用改进的无定形炭材料，材料应当易于用简单的、产率高的方法生产。附图的简更说明附图说明图1为电化学电池示意图，包括由本专利技术的无定形炭材料制成的电极；图2为燃料电池示意图，包括由本专利技术的无定形炭材料制成的电极；图3为说明制备本专利技术的无定形炭材料的步骤的流程图；图4为说明5-羟基间苯二酸的热重分析(TGA)和差示扫描量热(DSC)图；图5为说明α-二羟基苯甲酸热重分析(TGA)和差示扫描量热(DSC)图；图6为在600℃下制备的本专利技术的材料的充电和放电曲线；图7为在700℃下制备的本专利技术的材料的一组充电和放电曲线；及图8为在1100℃下制备的本专利技术的材料的一组充电和放电曲线。优选的实施方案的详细描述虽然说明书以对本专利技术(该专利技术被认为是新的)的特征做出定义的权利要求书为结论，但是相信通过结合附图(其中给出了参考号)考虑下列说明结合，对本专利技术将会有更好的理解。现在参考图1，该示意图示出了电化学电池10例如电池或电化学电容器，还包括一种按本专利技术的方法制成的炭基或无定形炭电极材料。该电化学电池包括一个正极或阳极20，一个负极或阴极30和一种置于电极间的电解质40。电池负极30由无定形炭或炭基材料(例如将在下面更详细地加以描述的材料)制成；电池10的正极20可以用一种加锂的过渡金属氧化物(例如本领域熟知的)制成。另外，正极材料可以由诸如普通受让的、于1995年6月5日以Mao等人的名字提交的、标题为“用于可充电的电化学电池的正极材料及其制造方法”的共同未决的专利申请号08/464,440中所述的一种材料制成，在此通过参考文献引入该专利申请说明书。置于电极之间的电解质40可以是本领域中已知的任何电解质，例如碳酸丙二醇酯中的LiClO4或聚环氧乙烷包埋的加锂盐，电解质40也可以作为正极和负极之间的分离介质，该电解质也可以是水溶液、非水溶液、固态的、凝胶或其组合物。现在参考图2，该示意图示出了一种燃料电池，包括一种按本专利技术的方法制成的无定形炭电极材料。燃料电池50包括第一个和第二个电极52，54，至少其中之一由本专利技术的材料制成。除象电化学电池那样、有一种或两种反应物不是永久的内容物之外，燃料电池的运转与电池相似。当需要电力时，通过外界能源把反应物输入燃料电池内。燃料通常是气体或液体(与一般在电池中使用的金属阳极相比)，氧气或空气作为氧化剂。燃料电池的电极材料是惰性的，原因在于在电池反应过程中它们不会被消耗掉，但是电极材料具有能增强燃料电池的活性材料的电极氧化反应的催化性能。氢/氧燃料电池示出了一种典型的燃料电池反应，该反应如图2所示。在这个装置中，氢在阳极受到铂或铂合金的电催化氧化，同时在负极氧又在铂或铂合金电催化剂的作用下还原。铂或铂合金一般附着在炭基质中，这样燃料电池电极52，54可以由本专利技术的无定形炭制成。燃料电池典型地用在长时间地需要电能的应用中，例如作为中型发电机的替代品用在空间飞行器中，以及用作负载电平。本专利技术提供了一种合成用作电化学装置的电极(例如原电池或电容器，燃料电池或催化剂)的无定形炭或炭基材料的方法。炭基材料基本上是无定形的，虽然需要时可以部分或完全是结晶或其中包含结晶，也可以包括一定量的一种或多种调节剂，调节剂的确切性质依所设定的特定应用而定。与现有技术中使用双官能团单体作为前体不同，本专利技术使用多官能团有机单体，每个单体至少含有两种官能团中三个官能团。更具体地，该多官能团有机单体具有下列的一般式 其中R1，R2，和R3各自为一种官能团，并选自有8个或8个以下碳原子的羧酸、有8个或8个以下碳原子的羧酸酯、有8个或8个以下碳原子的醇类、有8个或8个以下碳原子的羧酸酐、胺及其组合，其中至少R1，R2，和R3中的一个与另外两个不同。在一个优选的实施方案中，至少一个官能团为羧酸酯。还需要注意的是，在下述的材料制造方法中，不同的官能团之间实际上可以发生反应。在一个优选的实施方案中，具有多官能团的有机单体选自5-羟基间苯二酸、5-氨基间苯二酸、α-二羟基苯甲酸、β-二羟基苯甲酸、δ-二羟基苯甲酸、2，5-二羟基苯甲酸、3，4-二羟基苯甲酸及其组合物。在另外一个优选的实施方案中，具有多官能团的有机单体为α-二羟基苯甲酸。虽然上面引述了优选的具有多官能团的有机单体，但是应当注意的是，本专利技术不仅限于此，事实上，许多其它的有机单体同样可以很好地使用。考虑到炭材料的制造，发现当在酸的存在下加热有机单体时，单体的反应更加完全并导致最终产品的产率的提高，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：J·张，A·A·阿纳尼，
申请(专利权)人：摩托罗拉公司，
类型：发明
国别省市：