[发明专利]微观结构易于调控的多孔碳电极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种微观结构易于调控的多孔碳电极材料及其制备方法和用途，所述多孔碳电极材料具有长程无序、短程有序的特性，是通过向富碳原料中引入极性基团制成两亲性富碳材料，然后将两亲性富碳材料与生物质材料和/或两亲性高分子材料加水混合后进行凝胶化，再经交联固化、高温裂解制备而成；通过调节原材料的配比、凝胶含水率、交联固化及高温裂解时的处理温度，能够对多孔碳电极材料的微观结构进行调控。本发明所述多孔碳电极材料产碳率高且导电性能优异，特别适合用作钠离子电池的负极材料或超级电容器电极材料；所述多孔碳电极材料的制备方法简单、原材料易得、成本低廉，适合于大规模生产。

技术领域

本发明涉及电极材料制备技术领域，尤其涉及一种微观结构易于调控的多孔碳电极材料及其制备方法和用途。

背景技术

随着化石燃料的耗竭，太阳能、风能等可再生能源的利用越来越受到人们的重视，但是这些可再生能源的间歇性特点致使其不能持续稳定的对电网供电，所以储能系统的发展对于可再生能源的利用至关重要。由于碳材料具备优良的导电性和可裁剪性，并且价格低廉，已被广泛研究作为储能系统的电极材料。

高性能、低成本电极材料的开发与应用是二次电池走向商业化的重要一步。针对不同的储能机制，需要研发不同微观结构的炭电极材料。如：商业化的锂离子电池应用的主流负极材料为石墨，锂离子储存在石墨层间；但由于热力学原因，钠离子难以嵌入到石墨材料层间，因此石墨材料不能作为钠离子电池的负极，需要开发多孔的硬碳材料作为负极；而超级电容器的储能机制是电解液离子吸附在电极材料表面，因此需要制备高比表面积的多孔碳材料。

在众多供研究的多孔碳电极材料中，沥青具有导电性好、产碳率高等优点，但沥青在热解过程中易于石墨化而形成层间堆积，对于钠离子电池和超级电容器是不利的。高分子材料包括纤维素、糖类、呋喃树脂、酚醛树脂和聚偏二氯乙烯等，由于这些前驱体材料的价格高、产碳率低，导致硬碳的价格较高，并且现有的多孔硬碳材料制备过程通常较为复杂，这些缺点限制了炭电极材料的大规模应用。

多孔碳电极的制备通常采用活化法和模板法。活化法包括化学活化法和物理活化法，化学活化法采用KOH、H₃PO₄和ZnCl₂作为活化剂，其制备的多孔碳孔道结构比较发达，但化学活化法对设备的要求较高；物理活化法采用CO₂和H₂O，其对前驱体和设备的要求均较高。模板法包括软模板法和硬模板法，硬模板法通常用于制备孔道结构均匀的多孔碳材料，但硬模板法的去除工艺较为复杂，成本较高，软模板法是通过分子间的作用力调控制备多孔碳材料，但软模板试剂的制备较为复杂，同样具有成本高的缺点。

发明内容

本发明提供了一种微观结构易于调控的多孔碳电极材料及其制备方法和用途，所述多孔碳电极材料产碳率高且导电性能优异，特别适合用作钠离子电池的负极材料或超级电容器电极材料；所述多孔碳电极材料的制备方法简单、原材料易得、成本低廉，适合于大规模生产。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种微观结构易于调控的多孔碳电极材料，所述多孔碳电极材料具有长程无序、短程有序的特性，是通过向富碳原料中引入极性基团制成两亲性富碳材料，然后将两亲性富碳材料与生物质材料和/或聚合单体加水混合后进行凝胶化，再经交联固化、高温裂解制备而成；通过调节原材料的配比、凝胶含水率、交联固化及高温裂解时的处理温度，能够对多孔碳电极材料的微观结构进行调控。

所述富碳原料是无烟煤、烟煤、褐煤、兰炭、高温、中低温煤焦油的延迟焦、针状焦、冶金焦、石油焦、高温煤焦油、中低温煤焦油中的一种或任意几种的混合物。

所述富碳原料为颗粒状，平均粒径为500nm～5μm，灰分为0～10％。