[发明专利]一种柔性三维多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种柔性三维多孔碳材料及其制备方法和应用。本发明采用价格低廉的商业三聚氰胺海绵作为三维柔性碳骨架模版，煤沥青为碳源，结合KOH活化方法，一步获得高导电性、高比表面积的柔性三维多孔碳材料；所述材料的制备工艺简单，成本低廉，适于工业应用。该材料用作超级电容器电极材料，具有较大的能量密度、功率密度以及优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种柔性三维多孔碳材料及其制备方法和应用，属于新能源材料技术领域。

背景技术

超级电容器作为一种电化学能源存储装置，具有能量密度高、循环使用寿命长、体积小、简易便携、安全无污染等一系列优点，在移动通讯、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有广阔的应用前景，被认为是一种理想的化学电源。目前，商业化超级电容器主要利用活性炭作为电极材料。超级电容器的性能主要取决于所用电极材料的比表面积、孔径分布、显微结构和导电性能等。

相比其他碳材料，活性炭材料具有比表面积大、原料来源丰富、成本低等优点。但由于传统方法制备的活性炭颗粒大和导电性能差, 这增加电解质离子和电荷扩散距离和电阻，严重地影响了其快速充电/放电能力，特别是在高电流密度下，从而导致电容器的性能降低。

发明内容

本发明提供了一种低成本、高比表面积和高导电的柔性三维多孔碳材料。本发明还提供了上述柔性三维多孔碳材料的制备方法和应用，通过该方法制备的三维多孔碳材料实现了无粘结剂用作超级电容器电极，具有高能量密度、高倍率性能和优异循环稳定性，表现出卓越的电容性能，被认为是一种理想的超级电容器电极材料。

本发明提供了一种柔性三维多孔碳材料，采用价格低廉的商业三聚氰胺海绵作为三维柔性碳骨架模版，煤沥青为碳源，结合KOH活化方法，一步法获得高导电性、高比表面积的柔性三维多孔碳材料。

原料的质量份数为：

三聚氰胺海绵：5 ~ 10份

煤沥青：20~60份

KOH：20~80份

四氢呋喃：20~60份

无水乙醇：20~40份

所述三聚氰胺海绵为未经任何处理的商业三聚氰胺海绵。

本发明提供了上述柔性三维多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）选取商业三聚氰胺海绵裁剪成5 cm × 3 cm × 2 cm，丙酮超声清洗10~30min，然后在温度为70~110℃范围内烘干；

（2）取20~60份煤沥青溶于20~40份四氢呋喃的溶液中，搅拌溶解；取20~80份氢氧化钾溶于20~40份乙醇中，搅拌直至溶解；

（3）将上述两种溶液（四氢呋喃和乙醇溶液）混合后搅拌均匀，将三聚氰胺海绵放入其中，反复挤压充分浸渍，均匀吸附后在温度为70~110℃范围内干燥6~10 h；形成煤沥青/三聚氰胺海绵复合物；

该步骤中，所用三聚氰胺海绵与煤沥青的质量比为：三聚氰胺海绵：煤沥青=5~10：20~60；

（4）取干燥后的煤沥青/三聚氰胺海绵复合物，转移到陶瓷坩埚中，置于管式炉中，N₂或Ar气保护下，在700℃~1000℃，一步碳化和活化，经酸洗、过滤、真空干燥(90℃~110℃)，获得柔性三维多孔碳材料。

本发明提供了上述柔性三维多孔碳材料在超级电容器中的应用。

上述应用中，将柔性三维多孔碳材料直接切片作为超级电容器的电极材料，在常规三电极体系评价其电化学性能，铂片为对电极，饱和甘汞为参比电极，电解液为6 M KOH。

本发明的有益效果：