一种氟化多孔碳材料、制备方法及应用和锂离子电容器技术

本发明专利技术提供了一种氟化多孔碳材料、制备方法及应用和锂离子电容器，属于电容器电极材料技术领域。本发明专利技术将重质油副产品与活化剂进行球磨混合，得到混合前驱体；将所述混合前驱体在保护气氛中进行煅烧碳化处理，得到多孔碳材料；将所述多孔碳材料在还原气氛中进行热还原处理，得到还原多孔碳材料；将所述还原多孔碳材料在含氟气氛中进行氟化处理，得到氟化多孔碳材料。本发明专利技术提供的氟化多孔碳材料比表面积高、孔隙结构发达，且引入氟电子缺陷，增加了离子吸附活性位点以及界面稳定性，将其作为锂离子电容器正极材料，在具有较高电荷储存能力的同时还具有较高稳定工作电位，进而能够提升锂离子电容器的能量密度和功率密度。离子电容器的能量密度和功率密度。离子电容器的能量密度和功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种氟化多孔碳材料、制备方法及应用和锂离子电容器


[0001]本专利技术涉及电容器电极材料
，尤其涉及一种氟化多孔碳材料、制备方法及应用和锂离子电容器。

技术介绍

[0002]近年来由于大量使用煤炭、石油等不可再生燃料，能源危机和环境问题变得日益危急。事实上，除了化石能源，地球上还存在地热能、风能、水能和太阳能等各种可再生能源，可以将这些能源转化成可供人类使用的电能。然而，由于地热能、风能、水能和太阳能等各种可再生能源发电存在不确定性和间歇性，为了更加方便地使用这些能源，就需要高效的电能存储系统(EES)来构建可再生能源耦合电网，以满足当代社会发展的需求，减少现代社会对化石能源的依赖。
[0003]电化学储能系统是目前发展较快的电能存储系统，在诸多电化学储能系统中，基于锂离子的储能设备，如锂离子电池(LIBs)和锂离子电容器(LICs)，在新能源工业中占有重要的地位。其中，锂离子电容器由电荷储存机制不同的电极组装而成，正极动力学依赖于阴离子的吸附及解附，而负极动力学依赖于锂离子的插入及脱出完成电荷存储，因此，锂离子电容器结合了锂离子电池的高能量密度和超级电容器(SCs)的优良倍率和循环性能。
[0004]改善正极材料的电化学性能是提升锂离子电容器电化学性能的重要途径之一，多孔碳材料因具有较高的比表面积等特点受到研究者们的广泛关注。就锂离子电容器的正极材料而言，理论上其电化学双电层电容和比表面积呈线性相关，当比表面积达到一定值(约3500m2/g)时，电化学双电层电容就会达到一个限值，并且比表面积过高会引起表面副反应严重和高工作电位条件下电极不稳定的问题。
[0005]在多孔碳材料中引入电子缺陷可提供额外的电化学双电层电容，进一步提高电荷储存能力。例如向多孔碳材料中引入含氧电子缺陷有利于提高其电荷储存能力，但在高工作电位(约4.5V)会与电解液分子或者电解质离子发生氧化还原反应，稳定性较差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种氟化多孔碳材料、制备方法及应用和锂离子电容器，本专利技术提供的氟化多孔碳材料比表面积高、孔隙结构发达，且引入氟电子缺陷，增加了离子吸附活性位点以及界面稳定性，将其作为锂离子电容器正极材料，能够避免因比表面积过高而引起的表面副反应严重和高工作电位条件下电极不稳定的问题，在具有较高电荷储存能力的同时还具有较高稳定工作电位。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种氟化多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]将重质油副产品与活化剂进行球磨混合，得到混合前驱体；所述重质油副产品中活性基团包括羟基、羧基、醛基、碳酸酯基、酰胺基、巯基、羰基和亚胺基中的一种或几种；所述活化剂为KOH或NaOH；
[0010]将所述混合前驱体在保护气氛中进行煅烧碳化处理，得到多孔碳材料；
[0011]将所述多孔碳材料在还原气氛中进行热还原处理，得到还原多孔碳材料；
[0012]将所述还原多孔碳材料在含氟气氛中进行氟化处理，得到氟化多孔碳材料。
[0013]优选地，所述重质油副产品包括石油焦、乙烯焦油、催化油浆和石油沥青中的一种或几种。
[0014]优选地，所述重质油副产品与活化剂的质量比为1：(2～8)。
[0015]优选地，所述球磨混合的转速为300～600rmp，时间为1～6h。
[0016]优选地，所述煅烧碳化处理的温度为450～1250℃，保温时间为30～120min。
[0017]优选地，所述热还原处理的温度为400～700℃，保温时间为30～180min；所述还原气氛包括惰性气体和还原气体，所述还原气氛中还原气体的体积分数为0.5～10％。
[0018]优选地，所述氟化处理的温度为200～450℃，保温时间为30～180min；所述含氟气氛包括惰性气体和含氟气体，所述含氟气氛中含氟气体的体积分数为0.5～20％。
[0019]本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的氟化多孔碳材料，为具有氟电子缺陷的多孔碳材料；所述氟化多孔碳材料的比表面积≥3000m2/g，微孔孔隙率≥1.2cm3/g，氟元素含量为0.8～4.0wt％。
[0020]本专利技术提供了上述技术方案所述氟化多孔碳材料作为锂离子电容器正极材料的应用。
[0021]本专利技术提供了一种锂离子电容器，以上述技术方案所述氟化多孔碳材料作为正极材料。
[0022]本专利技术提供了一种氟化多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将重质油副产品与活化剂进行球磨混合，得到混合前驱体；所述重质油副产品中活性基团包括羟基、羧基、醛基、碳酸酯基、酰胺基、巯基、羰基和亚胺基中的一种或几种；所述活化剂为KOH或NaOH；将所述混合前驱体在保护气氛中进行煅烧碳化处理，得到多孔碳材料；将所述多孔碳材料在还原气氛中进行热还原处理，得到还原多孔碳材料；将所述还原多孔碳材料在含氟气氛中进行氟化处理，得到氟化多孔碳材料。本专利技术提供的氟化多孔碳材料比表面积高、孔隙结构发达，且引入氟电子缺陷，增加了离子吸附活性位点以及界面稳定性，将其作为锂离子电容器正极材料，在具有较高电荷储存能力的同时还具有较高稳定工作电位，进而能够提升锂离子电容器的能量密度和功率密度。具体的，本专利技术以重质油副产品作为碳源，将其与活化剂进行球磨混合，活化剂会与重质油副产品中活性基团发生络合，促进后续煅烧碳化处理过程中对重质油副产品形成的碳基体进行刻蚀，形成有利于离子吸附和快速传输的孔隙结构；通过热还原处理能够去除多孔碳材料中多余的含氧活性基团，从而使氟化处理过程中氟官能团更容易接枝到多孔碳材料表面；通过氟化处理将氟元素引入到还原多孔碳材料中，使碳原子周围的电荷分布发生改变，从而形成氟电子缺陷，可提供更多的吸附活性位点，使其具有更高的比容量，而且氟元素还可以钝化还原多孔碳材料表面，增强电极与电解液之间的界面稳定性，使电极实现在高电压窗口条件下稳定运行。测试例的结果显示，以本专利技术提供的氟化多孔碳材料作为正极材料组装锂离子电容器，实现了锂离子电容器长循环寿命(10000次)、高能量密度(231Wh/kg)以及高压窗口(0～5.0V)的稳定运行。
[0023]此外，本专利技术提供的氟化多孔碳材料的制备方法生产成本低，是一种低耗高效的制备工艺，适应于大规模的商业应用。
附图说明
[0024]图1为实施例1制备的氟化多孔碳材料的TEM图；
[0025]图2为实施例1制备的氟化多孔碳材料的氮气吸附
‑
脱附曲线；
[0026]图3为实施例1制备的氟化多孔碳材料的XPS图；
[0027]图4为实施例1制备的氟化多孔碳材料的充放电曲线；
[0028]图5为实施例1制备的氟化多孔碳材料和对比例1制备的碳材料的倍率性能对比图；
[0029]图6为以实施例1中氟化多孔碳材料为正极组装的锂离子电容器的充放电曲线；
[0030]图7为以对比例1中碳材料为正极组装的锂离子电容器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氟化多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将重质油副产品与活化剂进行球磨混合，得到混合前驱体；所述重质油副产品中活性基团包括羟基、羧基、醛基、碳酸酯基、酰胺基、巯基、羰基和亚胺基中的一种或几种；所述活化剂为KOH或NaOH；将所述混合前驱体在保护气氛中进行煅烧碳化处理，得到多孔碳材料；将所述多孔碳材料在还原气氛中进行热还原处理，得到还原多孔碳材料；将所述还原多孔碳材料在含氟气氛中进行氟化处理，得到氟化多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述重质油副产品包括石油焦、乙烯焦油、催化油浆和石油沥青中的一种或几种。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述重质油副产品与活化剂的质量比为1：(2～8)。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨混合的转速为300～600rmp，时间为1～6h。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧碳化处理的温度为4...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔永朋，邱智健，邢伟，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：