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一种球形互联层次化多孔炭材料及其制备方法与应用与流程

  • 国知局
  • 2024-12-06 12:10:48

本发明涉及能源存储领域,具体涉及一种球形互联层次化多孔炭材料及其制备方法与应用。

背景技术:

1、多孔炭材料具有高化学稳定性、高导电性、高比表面积和丰富可调的多孔结构,硅碳复合不仅能通过多孔炭内部的空隙来缓冲硅嵌入锂过程中的体积膨胀效应,还能有效地转移电子和离子;此外,碳层包覆减少了裸硅与电解液的直接接触,抑制了sei膜(固体电解质界面)重复生长,进而提升了锂电池的循环寿命及首次库伦效率。但是,现有技术中用于负载硅的炭载体材料存在孔容不足、活性位点少等缺点。

2、互联层次化多孔炭由于其孔隙结构发达,可提供大量的活性位点,加速电解液扩散。尽管它非常受欢迎,但由于活化剂从球形碳源前驱体颗粒的外表面向内部扩散不足,传统的孔转化工艺不易制备。此外,大量的深而弯曲的微孔以及较差的表面润湿性也会降低离子传输速率。因此,大规模控制合成具有理想物理化学性质的互联层次化多孔炭仍然是一个挑战。

技术实现思路

1、基于现有技术存在的缺陷,本发明的目的在于提供了一种球形互联层次化多孔炭材料及其制备方法与应用。

2、为了达到上述目的,本发明采取的技术方案为:

3、本发明提供一种球形互联层次化多孔炭材料的制备方法,包括以下步骤:

4、(1)将高分子聚合物溶解于水中,再加入造孔剂、球形碳源以及金属化合物,搅拌形成水凝胶;

5、(2)将步骤(1)所得水凝胶冷冻干燥后得到气凝胶前驱体,在含氧氛围下煅烧后得球形互联层次化多孔炭粗品;

6、(3)将步骤(2)所得球形互联层次化多孔炭粗品粉碎、酸洗除杂、水洗、干燥后,即得所述球形互联层次化多孔炭材料。

7、优选地,步骤(1)中所述高分子聚合物包括聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种,分子量为10000~100000;

8、将高分子聚合物溶解于水中的具体操作为:在750~1000rpm转速下搅拌30~60min;所述高分子聚合物在水中的质量分数为10%~30%。

9、优选地,步骤(1)中所述球形碳源包括淀粉、纤维素、木质素、果胶、木聚糖中的至少一种;

10、所述造孔剂为zncl2、hno3、koh、k2feo4、kmno4、h3po4中的至少一种;

11、所述造孔剂与碳源的质量比为2~4:1。

12、优选地,步骤(1)中所述金属化合物为硝酸银、硝酸铜、硝酸镍、氢氧化金中的至少一种,所述金属化合物在水中的终浓度为5~20mmol/l。

13、优选地,步骤(1)中所述搅拌的条件为:在60~80℃下搅拌6h~10h。

14、优选地,步骤(2)中所述煅烧为:在100~2000ppm含氧氛围下600-1000℃煅烧1-6h。

15、优选地,所述步骤(3)中,粉碎后的粒径dv50为6~9μm;酸洗除杂后的灰分<0.5%;所述水洗为水洗至ph值为8~9;所述干燥为在60~100℃干燥9~12h。

16、本发明还提供一种上述制备方法制备得到的球形互联层次化多孔炭材料。

17、本发明还提供一种上述的球形互联层次化多孔炭材料在锂离子电池和/或钠离子电池中的应用。

18、优选地,将上述的球形互联层次化多孔炭材料进一步加工成硅炭负极材料、锡炭负极材料、磷炭负极材料、电容中的一种。

19、相对于现有技术,本发明的优势在于:

20、(1)本发明通过以球形植物基生物质材料为原材料,复配高分子聚合物、造孔剂以及金属化合物进行前处理制得水凝胶前驱体,接着再通过冷冻干燥、高温碳化方式实现材料结构分子层面上的优化调控,实现了均相活化造孔,制得了富含缺陷的互联分级多孔炭,最后复配碳热还原反应使得基团配位的金属离子原位还原成超细纳米颗粒;材料自身的缺陷和金属纳米颗粒表面等离子共振效应可优化电子密度分布,促进电荷转移,以提升最终产品的导电性以及离子传输速率,使其成为硅炭的潜在理想候选者。

21、(2)通过高分子聚合物与球形碳源的基团反应,使得活化剂被高度分散的固定在碳源和高分子聚合物交联形成的水凝胶网络中;在之后的均相活化过程中,气凝胶的热解,产生大量有利于孔隙结构发育的挥发性气体。有利于随后的均匀活化形成相互连接的分层多孔结构,且扩大层间距。

22、(3)材料适当的润湿性对于液体渗透到材料内部通道以促进离子的快速扩散至关重要。相当粗糙的表面加上较多的含氧官能团,使得球形互联层次化多孔炭具有优异的润湿性,有利于电解液的渗透,从而充分利用其相互连接的分层多孔结构。大的比表面积、连通的多孔结构、丰富的内在缺陷和优异的润湿性,使材料具有较短的离子转移距离和较低的离子扩散阻力。

23、(4)本发明均相活化的方法是制备互联层次化多孔炭的一种有效方法,该方法采用由内向外的活化过程,并充分利用活化剂。一方面,相互连接的分层多孔结构有助于摆脱不连续多孔网络造成的离子传输缓慢,从而加速电解质离子在内部通道中的扩散。另一方面,活化过程使丰富的缺陷形成,这些缺陷可以调节宿主炭的微观结构和电子分布,从而为硅碳提供更多的储锂位点。本发明所得产品的总孔容最高看可达1.66cm3/g,微孔孔容1.36cm3/g,微孔占比为70.7%~86.6%,bet比表为2784.35m2/g。

技术特征:

1.一种球形互联层次化多孔炭材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:

2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述高分子聚合物包括聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种,分子量为10000~100000;

3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述球形碳源包括淀粉、纤维素、木质素、果胶、木聚糖中的至少一种;

4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述金属化合物为硝酸银、硝酸铜、硝酸镍、氢氧化金中的至少一种,所述金属化合物在水中的终浓度为5~20mmol/l。

5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述搅拌的条件为:在60~80℃下搅拌6h~10h。

6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述煅烧为:在100~2000ppm含氧氛围下600-1000℃煅烧1-6h。

7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,粉碎后的粒径dv50为6~9μm;酸洗除杂后的灰分<0.5%;所述水洗为用水洗至ph值为8~9;所述干燥为在60~100℃干燥9~12h。

8.一种如权利要求1~7任一项所述制备方法制备得到的球形互联层次化多孔炭材料。

9.一种权利要求8所述的球形互联层次化多孔炭材料在锂离子电池和/或钠离子电池中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,将权利要求8所述的球形互联层次化多孔炭材料进一步加工成硅炭负极材料、锡炭负极材料、磷炭负极材料、电容中的一种。

技术总结本发明公开了一种球形互联层次化多孔炭材料及其制备方法与应用,属于能源存储领域,该方法以球形植物基生物质材料为原材料,复配高分子聚合物、造孔剂以及金属化合物进行前处理制得水凝胶前驱体,接着再通过冷冻干燥、高温碳化方式实现材料结构分子层面上的优化调控。所得材料自身的缺陷和金属纳米颗粒表面等离子共振效应可优化电子密度分布,促进电荷转移,以提升最终产品的导电性以及离子传输速率;其自身丰富的吸附位点、强大的电荷转移动力学、快速的离子扩散特性以及出色的循环稳定性使其成为电容、硅炭、锡炭和磷炭的潜在理想候选者。技术研发人员:刘成,谌芳园,张胜钊,古剑和受保护的技术使用者:珠海钠壹新能源科技有限公司技术研发日:技术公布日:2024/12/2

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