[发明专利]一种储能用多孔炭材料的制备方法

说明书

所属领域：

本发明属于多孔炭材料制备技术领域，具体涉及一种可用于超级电容器及 锂离子电池负极的新型多孔炭电极材料的制备方法。

背景技术：

超级电容器是一种储能性能介于传统电容器和二次电池之间的新型储能装 置，具有比二次电池更高的功率密度，比传统电容器更高的能量密度，在短时 高功率放电工作状况下有着二次电池和传统电容器无法比拟的优势，受到各工 业发达国家的高度重视。另外，由于具有很高的能量密度，在各类商品化的二 次储能装置中，锂离子电池得到了非常广泛的应用。

由于具有价廉易得、导热导电性能好、化学稳定性良好、对环境友好等优 点，炭材料一直是超级电容器电极材料及锂离子电池负极材料的首选。炭电极 材料是影响两种储能装置储能性能的重要因素。

超级电容器作为一种功率应用产品，大电流充放电能力是衡量其性能好坏 的关键因素。一方面，由于采用常规活性炭作为电极材料，活性炭材料的孔道 窄且弯曲，限制了电解质离子在其内部的扩散迁移，导致大电流充放电时电解 质离子来不及在电极的大部分表面上形成双电层储存电荷，只有少部分较大孔 径孔隙的表面得到利用，从而造成电容器的能量密度下降；同时，活性炭内部 孔隙孔径越小，孔隙内电解液电阻越大，电容器的内阻越大，电容器储存电荷 时需要消耗能量克服内阻，导致电容器充放电效率和能量密度降低。另一方面， 受电极多孔炭的物相及表面结构限制，一般多孔炭的单位表面积比电容在 10-20μF/cm²之间，能量密度提升空间受到限制。因此，目前商品化超级电容器大 电流充放电时比能量-比功率性能欠佳的问题，限制了它的进一步推广。

石墨晶体具有各向异性，从而使石墨基面和边缘面的微分电容值存在很大 差异(分别约为3μF/cm²、50-70μF/cm²)。活性炭等无定型多孔工程炭材料都 是由六边形炭环(石墨烯)按照各自不同的方式任意堆积而成的，石墨烯层同 样具有各向异性。因此，仅仅通过增大比表面积，改善孔径分布，使炭材料的 比电容(性能)得到提高的潜力有限。

对于以石墨无孔炭为负极的商品锂离子电池，一方面，石墨化无孔炭与锂 离子结合形成Li_xC₆(0<x<1)的反应机理，使其最高理论容量仅有372mAh/g， 0.0-0.3V(vs Li/Li⁺)范围内的可逆容量不超过200mAh/g；另一方面，颗粒状 石墨化无孔炭导致锂离子嵌入/脱嵌距离过长，限制了其功率密度的改善空间， 因此石墨化无孔炭锂离子电池的比能量-比功率性能受到了先天限制。随着需要 高能量密度、优异比能量-比功率性能储能器件的产品(如电动汽车等)不断推 出，目前锂离子电池较低的功率密度已难以满足这些产品的要求。

制备既有高能量密度，又有良好比能量-比功率性能的新型锂离子电池炭负 极材料必须具备如下特点：(1)不完全的石墨化有序结构，保证其具有高于石 墨的储能容量；(2)合适的孔结构，以提供良好的电解质离子传递通道；(3) 较短的Li⁺嵌入/脱嵌距离；(4)合适的比表面积，尽可能降低首次不可逆容量； (5)合适的物相结构。

六边形炭环的堆积方式决定了炭材料的理化性能(比表面积、孔隙形状、 孔径分布、电导率、表面的反应活性等)。六边形炭环的堆积方式是多孔炭材料 超电容及锂离子电池负极性能的最终决定因素。超级电容器电极材料和锂离子 电池负极材料对多孔炭有一定的共性要求。