[发明专利]一种高石墨化活性碳电极材料及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种高石墨化活性碳电极材料及其制备和应用，所述高石墨化活性碳的制备方法是将具有热膨胀性质的碳前体在低温下膨胀，形成一种凝胶结构；在经过一步活化过程形成高石墨化活性炭电极材料。这种电极材料具有较高的石墨化程度，极大地提升了材料的导电性；活化形成了发达的孔道结构，提供更多的活性位点及传输通道。这些优异的性质使得该材料在电化学储能领域有着广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种超级电容器活性碳电极材料及其制备方法，具体涉及一种高石墨化活性碳电极材料及其制备和应用。

背景技术

超级电容器主要在电极与电解质界面形成双电层进行能量储存，其功率密度和能量密度介于二次电池与传统物理电容器之间。由于超级电容器在充放电过程中不发生电化学反应，循环寿命可达十万次，并且在大电流充放下性能优良。超级电容器具有较小的内阻，并能够实现高倍率的充放，已经成为一种理想的新型能量储存器件，已成功应用到电动车，手机电池等动力产品领域。目前超级电容器的电极材料多为碳基材料，包括活性碳，活性碳纤维等。然而上述碳材料多为无定型结构，而且为保持较高的比表面积形成丰富的微孔，这使得碳材料的导电性大幅下降。导电性的提高一般通过提高碳材料的石墨化程度来实现。目前较为常用的提高石墨化程度的方法有高温煅烧与催化石墨化，过高的温度不仅使比表面积降低而且能耗较大；而催化石墨化过程中引入的金属离子难以清除，极大地缩短了超级电容器的使用寿命，同时引入一些安全隐患。因此开发新型的高石墨化活性炭的制备方法势在必行。

发明内容

本发明针对高石墨化活性碳现有制备技术的不足，提出了一种高石墨化活性碳电极材料及其制备方法，本发明采用以下具体方案来实现：一种高石墨化活性碳电极材料微观上具有类石墨烯绸带的片层结构，所述片层为多孔结构，片层厚度为10nm-100nm之间。

所述片层长度和宽度分别为100nm-10μm。

所述碳电极材料的比表面积为1000-4000m²/g、孔隙率为0.5-3cm³/g、石墨化程度较高，从拉曼光谱表征的I_D/I_G小于1.2。

所述高石墨化活性碳电极材料的制备方法，包括以下步骤，

(1)碳前体的制备：将多元醇和无机酸混合均匀后于真空条件下加热使其发生酯化反应，于酯化反应产物中加入氨基化合物的分散液，再次加热使其发生成盐反应，得碳前体；

(2)凝胶结构的多孔碳的制备：将步骤(1)所得碳前体于惰性气氛中加热预碳化处理，得凝胶结构的多孔碳，该多孔碳为片层交联结构，能够较好地与活化剂接触，有助于得到较大比表面积的多孔碳材料。

(3)高石墨化活性碳电极材料的制备：将步骤(2)所得凝胶结构的多孔碳与活化剂混合后于惰性气氛下进行活化处理。

步骤(1)中所述多元醇为季戊四醇、木糖醇、山梨醇中一种或两种以上；所述无机酸为质量浓度20-90％硼酸、质量浓度20-85％磷酸、质量浓度20-98％硫酸、质量浓度20-80％硝酸中一种或两种以上；所述氨基化合物为尿素、三聚氰胺、氰胺、氨基酸中一种或两种以上；所述氨基化合物的分散液中的溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇一种或两种以上的混合液，氨基化合物的质量浓度3-50％；所述步骤(1)中多元醇与无机酸的物质的量的比为2:1-1:8；所述氨基化合物与酯化反应前无机酸的物质的量的比为5:1-1:5。

步骤(1)中所述酯化反应的条件为70-200℃下反应0.5-5h；真空度为0.03-0.2Mpa；步骤(1)中所述成盐反应条件为30-150℃下反应2-24h。

步骤(2)或步骤(3)所述惰性气氛为氮气、氩气、或氮气和氩气的混合气。