本发明专利技术公开了一种炭基离子插层储能电极材料及其制备方法，属于炭基电极材料技术领域。该材料由有序的类石墨微晶和无序的乱层炭结构组成，其中有序的类石墨微晶结构周围为典型的无序的乱层炭结构。其制备过程包括：以煤焦油沥青或乙烯焦油沥青为原料经320~400℃温度下热缩聚反应，热缩聚后的沥青粉末在600~900℃温度下炭化及在600~900℃温度下KOH活化，最终制得该材料。本发明专利技术的优点：操作简单、过程连续，可控性好，易于实现规模化生产。所制备的炭基离子插层储能的电极材料具有有序无序镶嵌的独特结构，具有较大的电容量和较高的耐电压性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属于炭基电极材料
技术介绍
炭材料因具有物化性能稳定、价格低廉、来源广泛、环境友好等特点被广泛的应用于电化学储能领域，特别是双电层电容器、锂离子电池电极材料的应用。目前，应用于储能领域的炭材料主要有活性炭、活性炭纤维、碳纳米管、金属碳化物基炭材料、硬炭、石墨等。其中，双电层用电极材料如活性炭、活性炭纤维等主要依靠电极/电解液间产生的固/液界面双电层储存电荷，产生法拉级的电容量。根据电容器的能量密度计算公式万=1/2672(其中C代表比电容，V表示工作电压)可知，传统双电层电容器较低的能量密度(I飞wh/kg)限制了其在储能领域的进一步发展。 许多研究者都致力于从提高C的角度来努力提高器件的能量密度&李春忠等以多孔氧化镁纳米片作为模板，多巴胺为碳前驱体，制备了具有一种介孔碳纳米片超级电容器电极材料，在O. lA/g电流密度下，以lmol/dm3硫酸溶液为电解液的双电层电容器，该电极材料质量比电容为216F/g(CN201210190112. 9)。但基于双电层储能原理的多孔炭材料的比电容C的提高余地有限，主要受限于进一步提高多孔炭材料比表面积的难度。目前，多孔炭的比表面积能够做到3200m2/g,如果进一步提高,会造成电极材料在单位体积下的储能密度的大幅下降。因此，近年来更多的关注点转移到了提高炭质电极的耐电压特性K的提高上。传统多孔炭电极较大的比表面积造成碳悬键数量增加，即多孔炭表面的电化学反应活性位点增加，进而导致在高于2. 7V以上出现不可逆的电化学反应，这一条件限制了有机系电化学电容器的安全工作电压必须低于2. 7V(尽管有机电解液的电压范围4. 0^4. 5V),致使电化学电容器能量密度受限。骞伟中等在“一种用于超级电容器的碳纳米电极材料的纯化方法”(CN201210135516. 8)中采用液相处理出去无机氧化物载体、金属，金属硫化物，金属碳化物等，冷冻干燥、高温弱氧化性气体处理等方法获得了在4飞.5V耐电压性能的超级电容器碳纳米电极材料，但上述制备方法工艺操作较为复杂，成本较高。因此基于电化学反应(例如离子插层反应)的电极在提高能量密度方面有更大的优势。由锂离子电池技术可知，炭材料如硬炭、石墨等可在更负的电势下被锂离子嵌入，进而获得较高的能量密度。基于上述分析，本文提出将一种具有较大容量和耐电压特性的炭基离子插层储能电极材料，该材料不同于硬炭和石墨材料，它是由有序的类石墨微晶和无序的乱层炭结构组成，在一定的电压下其有序结构能够进行离子插层储能，得到较高的电容量；另外，该材料具有较高的耐电压特性，不同于传统的高比表面积的多孔炭，该电极材料具有较低的比表面积，且经过高温炭化除去了一些杂原子及官能团，使得材料表面电化学反应活性位点的含量较少，从而降低了与电解液的不可逆反应活性，同时其无序结构在空间上限制了有序层状结构因大量离子进行插层反应而导致的片层脱落，进而较大地提高了材料的耐电压性能。该材料制备工艺简单，易于获得。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，该材料具有较高的比容量C1及工作电压K，其制备方法过程简单。本专利技术是通过下述技术方案加以实现的，一种炭基离子插层储能电极材料，该材料为平均粒径2(Γ50 μ m，其比表面积为278 1048m2/g，孔容为O. 12^0. 5cm3/g,其特征在于，该材料由有序的类石墨微晶和无序的乱层炭结构组成，其中有序的类石墨微晶为该炭基电极材料结构的5% 10%，微晶尺寸为2 10nm，微晶的层间距为O. 359 O. 385nm ;微晶周围为典型的无序的乱层炭结构。上述结构的炭基离子插层储能电极材料的制备方法，其特征在于包括以下过程 1)将煤焦油浙青或乙烯焦油浙青加入反应釜中，以O.5^1. 2m3/h的速率通入氮气 ，持续搅拌下，以升温速率f 10°C/min升温至32(T400°C，进行热缩聚反应2飞h，得到缩聚后的软化点为15(T220°C浙青； 2)将步骤I)得到缩聚后的浙青粉碎2(Γ50μ m粉末加入炭化炉中，以O. 5^1. 2m3/h的速率向炭化炉中通入氮气，以5 20°C /min的升温速率升温至60(T90(TC，恒温炭化O. 5 4h，自然冷却至室温，得到炭化后的浙青粉末。3)将步骤2)得到的炭化后的浙青粉末与KOH按质量比1: (O. 5 2)，加入炭化炉中在氮气气氛中以5 20°C /min升温速率升温至60(T90(TC，活化反应O. 5^2h,自然冷却至室温，用IM HCl溶液煮沸洗涤T5h，再用去离子水反复洗涤至洗涤液呈中性后，在温度8(T12(TC下干燥处理，得到炭基离子插层储能电极材料。本专利技术的优点如下本专利技术制备操作简单、过程连续，可控性好，易于实现规模化生产。所制备的炭基离子插层储能的电极材料不同于硬炭及石墨类材料，它具有有序无序镶嵌的独特结构。其中有序类石墨微晶生长的较为完整，其微晶尺寸为2 10nm，微晶的层间距为O. 359 O. 385nm，在一定的电压下该微晶能够进行离子插层储能，获得较高的电容量；另外，其无序结构保持了多孔炭材料的多孔性特征，保证了电解质离子的传质特性，同时在空间上限制了有序层状结构因大量离子进行插层反应而导致的片层脱落，进而使该材料具有2. 7 4. OV较高的耐电压特性。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的炭基离子插层电极材料的透射电子显微镜图片。图2是本专利技术实施例1制备的炭基离子插层电极材料的X射线衍射谱图。图3是本专利技术实施例1制备的炭基离子插层电极材料的氮气吸脱附等温线图。图4是本专利技术实施例1制备的炭基离子插层电极材料在100mA/g电流密度，不同工作电压下的恒电流充放电曲线图。具体实施例方式实施例1 将350g济宁精制煤焦油浙青(软化点为33°C)加于反应釜中，以1. 2m3/h的速率通入氮气，持续搅拌下，以升温速率10°C /min升温至400°C，进行热缩聚反应3h，停止加热，自然冷却至室温，得到176g软化点为158°C的缩聚后浙青。然后取IOg缩聚后浙青粉碎至40 μ m,加入炭化炉以O. 5m3/h的速率通入氮气，10°C /min的升温速率升温至800°C,炭化2h，自然冷却至室温。将所制得7. 5g炭化样品与15gKOH混合加入炭化炉中，在氮气气氛中以10°C /min升温速率升温至800°C，活化2h，自然冷却至室温，用500ml IMHCl溶液煮沸洗涤5h，再用IOOml去离子水反复洗涤3次至洗涤液呈中性，在120°C下干燥处理，得到6. 4g炭基离子插层储能炭电极材料。上述得到的炭基离子插层储能炭电极材料采用Tecnai G2 F20型透射电子显微镜、D/MAX2500V/PC型X射线衍射仪和TriStar3000型N2吸附仪进行测试，结果表明该材料含有6%生长较为完整的类石墨微晶，且微晶尺寸在2 10nm范围内，层间距为O. 359nm，其BET比表面积为1018m2/g，孔容积为O. 48cm3/g。将O. 5g样品，O. 059g导电炭黑(CarbonVXC 72)和O. 029g粘结剂(聚偏二氟乙烯PVDF)混和，调浆，涂膜，制备炭电极，以lmol/dm3Et4NBF4的乙腈混合溶液为电解液，组装纽扣本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种炭基离子插层储能电极材料，该材料为平均粒径20~50μm，其比表面积为278~1048m2/g，孔容积为0.12~0.5cm3/g，其特征在于,?该材料由有序的类石墨微晶和无序的乱层炭结构组成，其中有序的类石墨微晶为炭材料结构的5%~10%，微晶尺寸为2~10nm，微晶的层间距为0.359～0.385nm；微晶周围为典型的无序的乱层炭结构。
【技术特征摘要】
1.一种炭基离子插层储能电极材料，该材料为平均粒径203()1!!!!,其比表面积为278 1048m2/g,孔容积为0. 12 0. 5cm3/g,其特征在于，该材料由有序的类石墨微晶和无序的乱层炭结构组成，其中有序的类石墨微晶为炭材料结构的59TlO%，微晶尺寸为2 10nm，微晶的层间距为0. 359 0. 385nm ;微晶周围为典型的无序的乱层炭结构。2.一种按权利要求1所述的炭基离子插层储能电极材料的制备方法，其特征在于包括以下过程 1)将煤焦油浙青或乙烯焦油浙青加入反应釜中，以0.5^1. 2m3/h的速率通入氮气，持续搅拌下，以升温速率f 10°C/min升温至32(T400°C，进行热缩聚反应2飞h，...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈明鸣，杜思红，王成扬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。