[发明专利]多孔碳制品及其生产方法

说明书

本发明涉及一种用于生产多孔碳制品的方法，该方法包括以下方法步骤：

(a)     由无机基质材料生产一种一体式的模板，该模板具有多个彼此相连的孔以及该基质材料的质量分布，

(b)     在形成一种由基质材料包围的含碳生坯骨架的同时，用碳或者含碳的前体物质渗透该模板的孔，并且

(c)     煅烧该生坯骨架，同时形成该多孔碳制品。

此外，本发明涉及一种碳制品，它含有多孔的、具有分层孔结构的碳。

此外，本发明涉及一种基质材料作为用于由多孔碳生产模制品的模板的用途。

由多孔碳制成的一体式模制品，相对于其机械稳健性而言，其突出之处在于很低的重量、较高的导热能力以及吸附力，并且此外它们具有高的化学耐受性和热耐受性。

多孔碳被用于燃料电池的电极、超导体、以及蓄电池（二次电池），并且作为液体和气体的吸附材料，作为气体的存储介质，作为色谱法应用或催化过程中的载体材料，并且作为机械制造或医药技术中的原料。

技术背景

已知了多种用于生产多孔碳的方法，这些方法尤其在孔隙度、孔径分布和孔的形态方面造成了不同的特性。

在DE 20 2004 006 867 U1中描述了一种用作细胞培养皿（Zellkulturtr?ger）的多孔的碳基模制品，其中将碳基的塑料颗粒与无机填充颗粒（如某些盐）的混合物成形为半成品模制件，并且随后将其在非氧化性的气氛中碳化。获得了一种碳基的模制品，从该模制品中将这些颗粒状的填充材料洗脱出来或烧出来，并由此清理出这些孔。

然而，这种碳基模制品用于可再充电锂离子电池的电极的用途要求一种能够使锂可逆地插层并脱层（插入）的电极材料。在此情况下的目标是尽可能短的电池充电时间。已经显示出，对于这种“快速充电能力”，电极的反应活性表面积是一个关键参数，该反应活性表面积是由其几何表面积和由内部孔隙度造成的额外表面积组成的。

所谓的“碳气凝胶”具有特别大的内表面积，这是通过基于有机化合物的气凝胶的热解产生的。然而，由此生产的电极材料因为其较大的表面积而显示出了较高的“充电损失”，这基本上表现为在锂的第一次插入时的不可逆损失。

此外，用于在采用由（所谓的“模板”的）多孔材料制成的高温预成型件的同时生产多孔碳的方法是已知的。一种此类的方法在DE 29 46 688 A1中进行了描述，其中还已知了一种用于生产上述类别的碳制品的方法。在其中将碳沉积在由无机基质材料制成的“模板”的孔中，该模板具有至少1 m²/g的表面积。作为适合于该模板的基质材料，可以提及SiO₂凝胶、多孔玻璃、氧化铝或者其他多孔耐热的氧化物。该基质材料具有至少40%的孔隙率以及在从3 nm到2 μm范围内的中位孔径。

其中，在采用一种可聚合的有机材料的情况下进行碳向模板孔中的沉积，将该有机材料作为液体或气体引入，并且随后在这些孔内进行聚合并碳化。在聚合和碳化之后，将模板的无机基质材料去除，例如通过在NaOH或氢氟酸中溶解。

获得了一种具有孔结构的碳基模制品，该孔结构大致对应于模板的材料分布。

然而，对于良好的快速充电能力，较容易接近的内表面也是决定性的。在此背景下，证明所谓的“分层的孔隙度”是有利的。较大的表面积可以通过纳米范围内的孔而提供。为了提高这些孔的可接近性，在理想状态下，这些孔是通过一个贯穿的大孔传输系统相连接的。

具有此类由上述类型的大孔和中孔组成的分层孔结构的一体碳制品在US 2005/169829 A1中进行了描述。大孔具有的孔径在从0.05 μm到100 μm的范围内、优选在从0.8 μm到10 μm的范围内，而中孔具有的孔径在从1.8 nm到50 nm的范围内、优选在从5到30 nm的范围内。一体碳制品的骨架结构的壁厚处于从100 nm到20 μm的范围内。

为了生产分层的孔结构，制造了一种SiO₂模板。为此，以如下形式给出了一种具有从800 nm到10 μm直径的二氧化硅球粒与一种可聚合的物质的分散体：该分散体在该形式下被加热，从而通过聚合获得了一种多孔硅胶，在去除多余的液体之后使其干燥并完全聚合。

随后将如此获得的SiO₂模板的这些孔用一种碳前体物质浸渍、将该碳前体物质碳化为碳、并且随后通过在HF或NaOH中溶解而除去该SiO₂模板。