[发明专利]一种多孔炭复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种多孔炭复合材料及其制备方法与应用，该方法利用具有催化生长管状碳功能的多孔模板剂和碳前驱体混合所得混合物煅烧，直接制备导电性增强的管状碳‑多孔炭复合材料，解决了两步法制备管状碳‑多孔炭复合材料的步骤复杂、结构不丰富不可控的问题。所得材料具有丰富的孔结构，并且具有优良的导电性，优异的比容量稳定性。所得产品可广泛适用于电化学储能元件的电极材料。此方法由于原材料价格低廉，生产步骤简单，仅通过煅烧便可以直接合成管状碳‑多孔炭复合材料的制备，适合工业化批量生产。

技术领域

本发明属于复合碳材料制备的技术领域，尤其涉及一种多孔炭复合材料及其制备方法，本发明还涉及该多孔炭复合材料的一种应用。

背景技术

能源战略体系的提出使我国对新能源的发展和应用日益迫切，尤其是新能源汽车的规模化生产，对储能器件的性能提出了更高的要求。电极材料作为核心材料是限制其应用和发展的最主要因素。多孔炭质材料由于其丰富的孔结构和良好的化学稳定性，成为超级电容器和锂离子电容器中不可或缺的电极材料。目前我国用于电容电极材料的多孔炭质材料以生物质活性炭为主，其优势在于比表面积较高、原材料来源广泛且造价低廉。然而通过活化方法得到的活性炭多为无定形碳，其导电性能较差，用作电极时需添加一定的导电剂。

为了提高炭质材料的导电性，目前主要有两种途径。一种为，通过对多孔炭进行化学改性，如进行化学(如S、N杂元素)掺杂来改变炭材料的电子和晶格结构，提高其导电性。对多孔炭进行化学掺杂，通常在碳前驱体中混入杂原子前驱体，如引入氨气、尿素、三聚氰胺或咪唑类离子液体等作为氮前驱体，或者使用噻吩、硫脲、亚硫酸钠、不饱和有机物磺酸盐等为硫前驱体，再经过高温碳化制备得到硫氮掺杂的多孔炭。众多研究工作均表明掺氮之后炭材料的导电性和赝电容均得到了提升，使得炭材料作为电容器的应用表现出了优良的性能。

另外，有部分研究者通过向活性炭或多孔炭中复合碳纳米管来构建导电网络来提高材料的导电性如中国专利CN103500820A和CN105776181A。其主要原理均为将可溶性碳前驱体(如苯酚、甲醛、小分子聚合物类)包覆在均匀分散的碳纳米管表面，然后经烘干、高温碳化得到碳包覆的碳纳米管。另有研究者工作通过如上方法制备了碳纳米管复合的多孔炭，得到的复合材料表现出了较优的电容性能，尤其复合碳纳米管之后，由于导电性的提升，使得其倍率性能也有着明显的提升。

对多孔炭质材料进行杂原子的掺杂，有利于使其在电化学储能应用中，在容量和导电性方面的性能得以一定程度的提升，然而杂原子的容量提升是通过赝电容所表现出来，由氧化还原反应产生的赝电容难以支撑较长时间的循环，在实际应用中，容易引起容量的衰减。

而对于碳纳米管包碳来制备复合材料的方法，其步骤复杂，包覆的碳孔结构不丰富且不可控，需要后续使用KOH或CO₂来进行活化造孔才能满足电化学储能应用的需求。

本发明不同于以上两种路径，避免了通过掺杂来提高导电性，而是利用具有大长径比的管状或纤维状碳材料来构建导电网络，来提高多孔炭的导电性。

发明内容

发明目的：本发明提出一种多孔炭复合材料的制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容：一种多孔炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、取多孔模板剂分散在水中，形成悬浊液；

(2)、用催化剂前驱体配制水溶液，在搅拌下，将催化剂前驱体水溶液缓慢滴入步骤(1)所得的悬浊液，得到混合液；

(3)、将步骤(2)所得混合液进行超声处理后，抽滤、烘干，将干燥的滤饼粉碎成粉末；

(4)、将步骤(3)所得粉末煅烧，得到具有催化生长管状碳功能的多孔模板剂；

(5)、将步骤(4)所得的具有催化生长管状碳功能的多孔模板剂与碳前驱体按照化学计量比直接混合均匀或在介质中混合均匀，干燥状态得到混合物；