CN108766786A - 一种高比能纳米炭储能材料的制备方法 - Google Patents

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刘冬青
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Abstract

本发明公开了一种高比能纳米炭储能材料的制备方法，其具体步骤为：将碳源前驱体与碳酸钙按照3∶3～3∶30的质量比混合均匀，并加入0～40％质量分数的改性剂，将所得混合物在惰性气氛和600‑1500度条件下进行反应，经纯化和干燥后得到纳米炭材料。用该方法制备的纳米炭材料为储能电极，具有高比能量、高比功率、高倍率性能和长循环使用寿命。

Description

一种高比能纳米炭储能材料的制备方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料技术领域，特别是涉及一种高比能储能用纳米结构炭材料的制备方法。
背景技术
目前，随着煤、石油、天然气等的过度使用，能源短缺和环境污染问题日益突出，促进了太阳能、风能等清洁能源的开发和应用。商业化储能器件包括锂离子电池和超级电容器等仍存在较大缺陷：锂离子电池中大多以石墨做负极，但石墨理论放电比容量仅为372mAh/g，同时，在充放电循环过程中易形成稳定的固体电解质界面膜及石墨片层的体积膨胀和收缩现象容易导致严重的安全问题(Journal of Power Sources，2013，236：118-125)；而以活性炭为电极的双电层超级电容器虽然具有高功率密度、长循环寿命等优点，但能量密度较低(Bioresource Technology，2011，102：1118-1123)。
近年来，新能源汽车已成为世界各国重点投资的领域，国内一系列优惠政策也极大地促进了新能源汽车的发展。但是，动力电池依然存在能量密度低、功率密度低或循环使用寿命不佳等缺陷。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明以碳酸钙为模板剂、以天然或合成高分子为碳源制备高比能纳米炭材料，为了进一步提高纳米炭材料的储能性能，在反应中加入0-40％质量分数的改性剂。
本发明所采用的技术方案是：
将碳源前驱体与碳酸钙按照3∶3～3∶30的质量比混合均匀，并加入0～40％质量分数的改性剂，将所得混合物在惰性气氛和600-1500度条件下进行反应，经纯化和干燥后得到纳米炭粉体。
上述步骤所用碳源前驱体为沥青、咖啡渣、豆渣、花生渣、聚丙烯腈、木材、多糖、树脂、聚烯烃及植物的茎、叶、杆和根中的一种或几种；改性剂为铁、钴、镍单质及其化合物包括氧化物、盐和配合物中一种或几种。
附图说明
图1为实施例1产物的扫描电镜图。
图2为实施例2产物的扫描电镜图。
图3为实施例3产物的扫描电镜图。
图4为实施例4产物的扫描电镜图。
图5为实施例4产物的透射电镜图。
图6为实施例3产物的充放电循环性能图。
图7为实施例4产物的充放电循环性能图。
图8为实施例4产物的充放电倍率性能图。
具体实施方式
实施例1：
将沥青和碳酸钙按照3∶5的质量比混合均匀，在惰性气氛下750度炭化5小时，经纯化和干燥后得到产物，产物微观形貌如图1所示。
实施例2：
将咖啡粉和碳酸钙按照3∶20的质量比进行混合均匀，在惰性气氛下800度炭化2小时，经纯化和干燥后得到产物，产物微观形貌如图2所示。
实施例3：
将秸秆粉末和碳酸钙按照3∶15的质量比进行混合，在惰性气氛下780度炭化3小时，经纯化和干燥后得到产物，产物微观形貌如图3所示。
实施例4：
将咖啡粉和碳酸钙按照3∶10的质量比进行混合，并加入20％硝酸铁混合均匀，在惰性气氛下800度炭化2小时，经纯化和干燥后得到产物，产物微观形貌如图4和图5所示。
实施例5：材料的电化学性能测试
采用扣式电池系统在室温下测试材料的电化学性质，其中电解液为1.0M LiPF6/EC+DMC(体积比为1∶1)，采用蓝电CT2001A型电池测试系统进行充放电测试，电压范围为0.005-3V。材料循环性能如图6 和图7所示，倍率性能如图8所示。

Claims (9)

1.一种高比能纳米炭储能材料的制备方法，其具体步骤为：将碳源前驱体与碳酸钙按照3∶3～3∶30的质量比混合均匀，并加入0～40％质量分数的改性剂，将所得混合物在惰性气氛和600-1500度条件下进行反应，经纯化和干燥后得到纳米炭材料。
2.根据权利要求1所述一种高比能纳米炭储能材料的制备方法，，其特征在于所述碳源前驱体为沥青、咖啡渣、豆渣、花生渣、聚丙烯腈、木材、多糖、树脂、聚烯烃及植物的茎、叶、杆和根中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述一种高比能纳米炭储能材料的制备方法，其特征在于所述改性剂为铁、钴、镍单质及其化合物包括氧化物、盐和配合物中一种或几种。
4.根据权利要求1所述一种高比能纳米炭储能材料的制备方法，其特征在于所述碳酸钙为模板剂。
5.一种高比能纳米炭储能材料，所述炭材料通过权利1～4中任一项所述的方法制备。
6.权利要求5所述的纳米炭材料可用作超级电容器电极材料。
7.权利要求5所述的纳米炭材料可用作锂离子电池负极材料。
8.权利要求5所述的纳米炭材料可用作钠离子电池负极材料。
9.权利要求5所述的纳米炭材料可用作钾离子电池负极材料。
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