[发明专利]一种储能碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种储能碳材料及其制备方法和应用，涉及碳材料技术领域。所述储能碳材料以碳源模板剂和沥青为前驱体碳源材料制成，其内部具有三维碳骨架，外层具有多孔碳笼结构。与常规的石油基储能碳材料相比，本发明的产品大幅度提高了碳材料质量比容量和电化学稳定性，且有效降低产品的金属含量，使得产品各项指标远高于超级电容器用活性炭标准。

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，具体而言，涉及一种储能碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器具有高功率密度、可快速充放电、长循环寿命和安全可靠等特性，在军用和民用领域都有广泛应用，结构决定性质，超级电容器优异的电化学性能往往取决于电极的活性材料，碳材料由于较高的比表面积与孔体积、较好的导电性以及优异的循环稳定性，得到了广泛研究。

而重质油是众多脂肪烃、环烷烃以及稠环芳烃组成的复杂混合物，其组成和结构具有复杂性和多层次性，含有大量烃类和非烃类化合物，以及胶质、沥青质等超分子聚集体，更是含有大量的芳烃结构以及丰富的S、N、等杂原子，是生产超级电容器用储能碳材料的天热原料。通过简便可控的化学手段以自下而上的方式将重质油中的芳香烃和部分杂原子化合物直接合成储能碳材料，将为重质油的高附加值利用开辟新途径。

目前，常用超级电容器用碳材料普遍存在比容量低、导电性差等问题。因此，开发新型高比表面积、高导电性、结构稳定的电极材料对于全面提升超级电容器的性能尤为重要。为此，国内外学者进行了大量的研究，提出了很多的改进方法。

中国专利CN1769165A公开了一种利用煤焦油沥青、石油沥青为混合炭源，制备用于电池、双电层电容器用储能碳材料的方法，该发明主要是利用两种炭源不同的杂原子含量以及分子结构组成，通过控制混合比例优化碳材料结构。但整体电化学性能较差，用于超级电容器时，电压窗口为2V时，器件的质量比容量最高仅为118F g-1。

中国专利CN 108163832A公开了一种沥青基碳纳米片的制备方法，该工艺以中温煤沥青为炭源、四氢呋喃、碘单质组成炭源前驱体溶液，以饱和氯化钠溶液、无水乙醇混合形成的氯化钠为模板剂，炭化制备得到沥青基碳纳米片，实现了扩大碳层间距，缩短离子传输路径的目的。

日本AIST-Kyoto大学开放创新实验室开发了一种碳笼结构材料的制备方法。该工艺以金属盐、有机配体为原料，经过一系类湿化学方法制备了核壳MOF，经碳化得到碳笼材料。并通过引入Fe离子来实现碳笼结构的调控，从而制备出具有碳笼结构的三维类绣球花装超结构纳米材料，但是合成路线过长、工艺复杂。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种储能碳材料及其制备方法和应用。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种储能碳材料，所述储能碳材料以碳源模板剂和沥青为前驱体碳源材料制成；所述储能碳材料的内部具有三维碳骨架，外层具有多孔碳笼结构。

第二方面，本发明实施例提供了一种如前述实施例所述的储能碳材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将混合后的碳源模板剂、沥青和碱在惰性气体气氛下，进行热反应，以形成内部具有三维碳骨架，外层具有多孔碳笼结构的储能碳材料。

第三方面，本发明实施例提供了如前述实施例所述的储能碳材料或如前述实施例所述的储能碳材料的制备方法制备的储能碳材料在制备超级电容器中的应用。

第四方面，本发明实施例提供了一种超级电容器，其包括：由前述实施例所述的储能碳材料或如前述实施例所述的储能碳材料的制备方法制成的储能碳材料制备得到的工作电极。

碳源模板剂本发明具有以下有益效果：