介质碳电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种介孔碳电极材料，所述介孔碳电极材料的介孔率不低于80%，且具有由10-20nm的介孔和3-6nm的孔壁构成的纳米空心球孔结构。本发明专利技术还提供一种介孔碳电极材料制备方法，所述电极材料通过非模板凝胶一步还原法制备得到，具有空心球结构：内径10-20nm，壁厚为3-6nm；所述方法制备所得电极材料具有介孔率高（>80%），比表面积较大，孔结构可调控等特点。该碳电极电化学电容器能量密度和功率密度均较高，综合性能理想。与模板法相比，所述电极材料制备工艺简单、环保，原材料廉价易得，成本低，适于产业化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种空心球介孔碳电极材料及其制备方法，属于无机纳米材料、电化学和新能源材料领域。
技术介绍
超级电容器，是介于传统电容器和电池之间的一种新型储能系统，兼具常规电容器和电池这两种储能装置的优势，具有较高的功率密度和能量密度。且与二次电池相比，超级电容器具有漏电流小、充放电时间短、比功率高和循环寿命长等特点，可与二次电池组成混合电源系统用于满足电动汽车在启动、加速、爬坡时对充放电时间短要求。因此，超级电容器日益弓I起人们的广泛关注和研究兴趣。电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一。根据超级电容器的储能机理一即双电层电容机理，理论上，比电容值随着电极材料比表面积的增加而增大。因此，具有大比表面积和良好导电性的碳材料成为超级电容器电极材料研究的热点。其中，活性炭因其具有很高的比表面积成为研究最早、最广泛的碳电极材料。但是，其电化学电容性能并不理想，特别是功率输出性能较差。归其原因，主要在于活性炭中孔径分布不均，且具有很高的微孔比重。其过小的孔径阻碍了电解液对碳表面的浸润和电解液在孔道中的传输。因此，近年来对碳凝胶、碳纳米管、有序介孔碳等新型碳材料的研究成为了热点。目前的研究结果表明，具有较大的孔径和高孔容积率的大比表面积的介孔碳材料具有较高的能量密度和良好的功率输出性能。目前，制备介孔碳的方法主要有三种:催化活化法、混合聚合物碳化法和模板法。由于催化活化法和混合聚合物碳化法制备所得样品存在大量微孔使其介孔率相对较低，且很难对其孔结构进行调控，因此，模板法常被用于介孔材料的制备。但是，由于模板法过程繁琐、成本高，且有毒污染性强。而现有研究结果表明，电极材料的电容性能主要与比表面积利用率有关，而与有序、无序程度无直接关系。因此，结合上述分析及目前存在的问题，本专利技术旨在寻找一种非模板下简单易行、周期短且环境友好的合成高介孔率的大介孔碳的新方法。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于获得一种非模板下简单易行、周期短且环境友好的合成高介孔率的大介孔碳。本专利技术的第二目的在于获得一种非模板下简单易行、周期短且环境友好的合成高介孔率的大介孔碳的新方法。本专利技术的第三目的在于获得一种非模板下简单易行、周期短且环境友好的合成高介孔率的介孔碳电极材料的电极。本专利技术的第四目的在于获得一种本专利技术所述的介孔碳电极材料在电容制品中的应用。本专利技术的第一方面提供一种介孔碳电极材料，所述介孔碳电极材料的介孔率不低于80%，且具有由10-20nm的介孔和3_6nm的孔壁构成的纳米空心球孔结构。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述空心球孔结构是由均一的纳米空心球组成,空心球孔结构是由10-20nm的介孔和3_6nm的孔壁构成。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述介孔碳电极材料的比表面积大于55011 -1之间，孔容大于1cm3g-1之间。本专利技术的第二方面提供一种本专利技术所述的介孔碳电极材料的制备方法，包括如下步骤:(I)提供含碳源和造孔剂的凝胶；(2)将所述凝胶在100-200°C预碳化，然后在保护气体下碳化，其中碳化温度不低于500°C，碳化时间2-6小时；得到碳化产物；(3)用酸洗涤所述碳化产物后，进行后处理获得所述介孔碳电极材料，所述后处理包括分离、水洗、或干燥步骤。在一个具体实施方式中采用下述方法进行制备介孔碳电极:制备含碳源和造孔剂的凝胶；将步骤(I)所得凝胶先在100-20(TC预碳化，然后在保护气体下碳化，碳化温度450-650°C，碳化时间2-6小时；用酸洗涤步骤(2)所得产物后，分离，水洗，干燥。 在本专利技术的一个具体实施方式中，所述碳源为碳的聚合物、含碳高分子或大分子。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述碳源为糖类碳源或是醇类碳源。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述造孔剂为高锰酸盐，按与碳源摩尔比0.25~I 添加 ο在本专利技术的一个具体实施方式中，选用的高锰酸盐为高锰酸钾，高锰酸纳或高锰酸铵。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述步骤(I)的凝胶的制备过程中，采用的溶剂为去离子水和/或有机溶剂；和/或所述步骤(2)的保护气体为惰性气体，优选氮气、氩气或其组合；和/或所述步骤(3)的酸为盐酸、硝酸等。本专利技术的第三方面提供一种本专利技术所述的介孔碳电极材料的电极。在一个具体实施方式中，所述电极包括本专利技术的介孔碳电极材料、导电剂和粘结剂。在一个具体实施方式中，将所得碳电极材料、导电剂(如炭黑、乙炔黑等，在此采用乙炔黑)和粘结剂(如聚四氟乙烯、羧酸甲基纤维素、聚乙烯醇等，在此采用聚四氟乙烯)按照质量比8:1:1混合，滴加一定 量1-甲基-2吡咯烷酮或乙醇并充分研磨均匀后，将其压制在泡沫镍、镍片、铜片等集流体上，在真空干燥箱80°C干燥12小时，即制成超级电容器用电极。在一个具体实施方式中，本专利技术的电极的在中性电解液中比电容值可到250Fg_l，以循环伏安法测定。本专利技术第四方面提供一种本专利技术所述的介孔碳电极材料在电容制品中的应用。附图说明图1为不同制备条件所得介孔碳电极材料的孔径分布曲线图。图示表明，该方法制备所得样品均具有较为均一的孔径和孔壁厚，且样品MCl-500-3h孔径最大，而MC2-500-6h 的最小。图2为不同制备条件下所得介孔碳电极在20!^^扫描速率下的电流(纵坐标)和电压(横坐标)变化曲线，图中样品的名称将在“具体实施方式”中说明。图示表明，所得样品均表现出良好的电容行为，且在该扫描速率下，样品MCl-500-3h和MC2-500-3h的可逆性能(矩形形状)较优。图3为不同制备条件下所得介孔碳电极的比电容量与扫描速率的关系图，图中样品的名称将在“具体实施方式”中说明。图示表明，样品MC2-500-3h比容量值最大，而MCl-500-3h样品的倍率性能最佳。图4为样品MCl-500_3h的透射电镜(TEM)照片。具体实施例方式本专利技术人经过广泛而深入的研究，通过改进制备工艺，获得了一种非模板下简单易行、周期短且环境友好的合成高介孔率的大介孔碳的新方法，且发现该方法制得的空心球介孔碳电极材料具有结构特点:介孔率高，且具有均一的纳米空心球孔结构(体现在该结构由10-20nm的介孔和3-6nm的孔壁构成)；还具有性能上特点:水系中具有高的能量密度和良好的功率输出性能。在此基础上完成了本专利技术。本专利技术中，术语“含有”或“包括”表示各种成分可一起应用于本专利技术的混合物或组合物中。因此，术语“主要由...组成”和“由...组成”包含在术语“含有”或“包括”中。本专利技术的技术构思如下:本专利技术涉及一种空心球介孔碳电极材料及其制备方法，属于无机纳米材料/电化学和新能源材料领域。该介孔碳电极材料采用非模板凝胶一步还原法制备得到。该方法制备的介孔碳电极材料具有介孔率高(>80%)，比表面积较大，孔结构可调控等特点。空心球内径10-20nm，壁厚为3_6nm。该碳电极电化学电容器能量密度和功率密度均较高，综合性能理想。且电极材料制备工艺简单，原材料廉价易得，成本低，适于产业化。以下对本专利技术的各个方面进行详述:介孔碳电极材料本专利技术的目的在于提供一种简易、低成本且环境友好的非模板下一步法合成空心球介孔碳电极材料的方法。该方法所得介孔碳电极材料具有很高的介孔率(>80%)，比表面积较大，孔径为10-20nm，壁厚为3_6nm，且在水系中具有高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种介孔碳电极材料，其特征在于，所述介孔碳电极材料的介孔率不低于80%，且具有由10?20nm的介孔和3?6nm的孔壁构成的纳米空心球孔结构。

【技术特征摘要】
1.一种介孔碳电极材料，其特征在于，所述介孔碳电极材料的介孔率不低于80%，且具有由10-20nm的介孔和3_6nm的孔壁构成的纳米空心球孔结构。2.按权利要求1所述的介孔碳电极材料，其特征在于，所述介孔碳电极材料的比表面积不低于550!! -1之间，孔容不低于Icm3g-1之间。3.一种如权利要求1所述的介孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)提供含碳源和造孔剂的凝胶； (2)将所述凝胶在100-200°C预碳化，然后在保护气体下碳化，其中碳化温度不低于500°C，碳化时间2-6小时；得到碳化产物； (3)用酸洗涤所述碳化产物后，进行后处理获得所述介孔碳电极材料，所述后处理包括分离、水洗、或干燥步骤。4.按权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：余丽丽，赵景泰，陈昊鸿，杨昕昕，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：