[发明专利]用于锂离子电池负极的阶层多孔炭气凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种用于锂离子电池负极的阶层多孔炭气凝胶的制备方法，包括以下步骤：将间苯二酚溶于稀盐酸溶液中，得间苯二酚溶液；在间苯二酚溶液中加入(或不加入)造孔剂、加入甲醛溶液均匀混合，得间苯二酚‑甲醛溶液；将间苯二酚‑甲醛溶液密封后凝胶陈化；所得的间苯二酚‑甲醛有机湿凝胶进行溶剂置换，干燥；于惰性气体保护下，将所得的有机气凝胶炭化，得阶层多孔炭气凝胶。该炭气凝胶用作锂离子电池负极材料，有望提高锂离子电池碳负极材料的各项性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，特别是一种阶层多孔结构炭气凝胶作为锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

随着现代社会不断发展，化石能源的过度消耗及其加速引发的严重环境污染，越来越受到人们的重视，因此亟需开发利用更清洁绿色的能源，如风能、太阳能、生物能等，同时，也需要循环性能优良、容量大的电池储存设备，以转换和储存能源。另外，电动汽车需要循环性能足够好、能量密度足够高的电池提供电力；移动电子设备的不断更新换代也对电池的性能提出了更高的要求。锂离子电池作为新型高效能量存储设备，自其商业化以来，已为智能手机、笔记本电脑等诸多电子设备提供了动力基础，但其发展瓶颈也日渐显现，如何进一步提高比容量、改善循环稳定性、延长使用寿命、提高安全性能并降低成本，成为目前主要关注的问题。

锂离子电池的容量主要受限于其正极和负极材料。负极产业化材料主要以石墨类碳材料为主，这类材料导电性好、循环稳定性好且成本较低，因而一直占据商业化负极材料的主导地位。然而石墨类材料理论比容量较低(374mAh·g^-1)，且因脱嵌锂的氧化还原电位较低，在充放电过程中表面容易发生析锂，产生锂枝晶，影响循环稳定性，甚至可能刺透隔膜造成短路，大大降低电池的安全性能。因此开发新型具有高能量密度、高功率密度的锂离子电池负极材料成为当下研究热点。

有研究指出，具有阶层孔径结构的多孔碳材料，其不同孔径、不同粒径之间的协同作用有助于提高活性电极的储锂性能。在电池充放电过程中，Li⁺可以嵌入多孔碳的石墨微晶区，然后储存在其丰富的微孔中，这些小尺寸微孔能有效提高活性物质与电解液的接触面积，增加储锂活性位点；介孔既可以作为Li⁺的传输通道，也能够促进电解液的渗透；大孔结构的存在大大缓解了循环过程中的体积膨胀效应。因此与石墨类材料相比，多孔碳具有更好的应用前景。

炭气凝胶材料是一种含丰富微孔结构的非晶多孔碳材料，其孔隙率高，比表面积大，在超级电容器、电吸附及燃料电池等领域获得了广泛研究和应用。炭气凝胶的制备通常通过间苯二酚和甲醛作为前驱体，在碳酸钠等弱碱性催化剂的作用下，发生缩合成为有机湿凝胶，然后通过陈化、干燥、炭化等步骤制得炭气凝胶。在这样的弱碱性催化条件下，有机缩合反应速率较慢，得到的有机凝胶骨架强度不高，在后续干燥、炭化过程中容易发生显著的体积收缩，导致炭气凝胶材料密度、硬度较大，应用困难，其孔径主要为小尺寸的微孔和介孔(微孔尺寸＜1nm，介孔孔径为2～50nm)，虽然具有很高的比表面，但利用率不高，大大限制了其在锂离子电池负极方面的应用。间苯二酚：甲醛＝1:2的摩尔比时，上述利用碳酸钠等弱碱性催化剂制备所得的炭气凝胶制备而得的锂离子电池，在0.2C恒流充放电条件下，比容量约为120mAh/g，约50次循环后，其比容量就会产生衰减。并且在有机凝胶的干燥过程中，为了减小表面张力的影响，大多使用超临界干燥或冷冻干燥技术，流程较复杂，成本较高；该类方法如果采用常压干燥，炭化过程产生的收缩会更加严重，最终制得的炭气凝胶致密度高、体积密度大，大量孔结构消失，从而失去应用价值。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于锂离子电池负极的阶层多孔炭气凝胶的制备方法，本发明不仅可以改善多孔碳材料负极充放电过程中的循环稳定性，提高安全性能，同时还具备较高的比容量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于锂离子电池负极的阶层多孔炭气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)、将间苯二酚溶于稀盐酸溶液中，得间苯二酚溶液；