[发明专利]一种多孔炭电极材料的制备方法、材料及应用

说明书

本发明公开了一种超级电容器用多孔炭电极材料的制备方法，包括：将中温煤沥青破碎、研磨成粉状，过筛，对筛下的沥青粉作前处理，得到前处理沥青PPx，x为1‑6；将FeCl₃加入乙醇溶剂中，搅拌使其均匀分散，得到混合液；接着按FeCl₃:前处理沥青PPx质量比2‑4:0.5‑1称取前处理沥青PPx加入混合液中，继续搅拌2‑4h，在70‑90℃下加热混合液蒸发溶剂，然后将其在70‑90℃下真空干燥得到混合固体；将得到的混合固体置于加热装置中，在高纯氮氛围下，以4‑6℃·min^‑1的升温速率加热至800‑1000℃，恒温1‑3h；经酸洗、过滤、水洗和干燥，得到多孔炭电极材料。本发明还提供了该多孔炭电极材料以及其应用。本发明能应用于双电层超级电容器电极材料中，制备工艺简单、产品稳定性高、适合规模化生产。

技术领域

本发明涉及多孔炭材料制备领域，具体涉及一种制备超级电容器用多孔炭电极材料的方法。

背景技术

超级电容器，也被称为电化学电容器，是一类近年来新兴的电化学能量储存装置，其工作原理简单，具有极高的功率密度、足够长的循环使用寿命(100000次循环)、可靠的安全性能和快速充放电等优点，引起人们极大的关注和广泛的研究。

根据工作机理的不同，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器两大类。双电层电容器的工作机理是施加一个外部电压，电解质的离子就在电极的孔道内进行物理吸附/脱附，阴离子附着在阳极表面，阳离子附着在阴极表面，实现充放电。赝电容器的工作机理则基于在电极表面发生氧化还原反应进行储能。为了提高比电容，常结合两类电容器的优点制备复合材料，例如在炭材料表面原位生长赝电容材料。超级电容器被认为很好地填补了传统的普通电容器与锂离子电池在功率密度和能量密度这两个性能上差异巨大的鸿沟：普通电容器有很高的功率输出但能量密度很低，而锂离子电池的能量密度很高但功率密度较低。超级电容器已经在便携式电子设备、能量存储设备和混合动力汽车等领域有广泛的应用。超级电容器的高功率密度已经满足了人们使用的要求，但在高功率密度下所对应的能量密度却很低，这就导致所制备的电容器体积或质量很大。因此，超级电容器研究的焦点都集中在保持其高功率密度的同时，如何能够提高其能量密度。

提高能量密度可以在两个方面加以突破，即提高电极的比电容和扩大电解池的工作电压范围。为了提高电极的比电容，关键在于新型电极材料的制备与开发。为了进一步实现电容器电极材料的实际应用，材料的导电性、价格和高的循环稳定性均是要考虑的重要因素。炭材料作为电极材料，在上述两类超级电容器中均有大量的应用，具有质轻、充放电迅速、循环使用寿命长等许多优点，是能量储存领域的热点研究方向。为了得到具有优异超级电容器性能的炭材料，孔结构、表面化学性质以及石墨化程度是重要的影响因素。多级孔结构被认为有利于提高电容性能，这是因为电解质在不同尺寸的孔道中会有不同的表现：大孔和介孔减少离子的传质阻力，缩短传质距离，而微孔则能有效地存储离子，增加电荷密度，因此多级孔的共同作用能提高电容性能。纯碳材料，例如石墨烯，实际最高的比电容约为300F/g。通过氮原子掺杂可以将类石墨烯层状炭材料“活化”成电化学活性物质，在材料上发生氧化还原反应，引入赝电容。

CN110697705A中以煤沥青为原料，用活化剂KOH、造孔剂(尿素、草酸铵、氯化铵和聚乙烯醇中的一种或几种)，通过炭化-活化制备具有多级孔结构的沥青基活性炭产品，比表面积为1600-3200m²/g，0.5A/g电流密度下具有较高比电容。该方法主要缺点是用KOH作活化剂对设备腐蚀严重，引入造孔剂使制备过程变得繁琐，另外造孔剂的引入产生的尾气、KOH活化过程中被还原成金属K挥发后，会对环境造成一定污染。CN103204501B、CN103787327B、CN104319116B、CN104098091A、CN110459409A、CN109192524A、CN108074751B、CN108726576B、CN105070523B等均用KOH为活化剂，腐蚀设备、污染环境。