[发明专利]一种电化学性能高的碳泡沫的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学性能高的碳泡沫的制备方法，具体是在碳泡沫骨架中嵌入钒酸钠纳米晶以提高碳泡沫电化学性能。用本发明的方法制备的碳泡沫的电化学性能得到明显提高。

背景技术

碳泡沫是一种具有网状结构的低密度、高孔隙率、高比表面积的固态材料。目前国内外报道的碳泡沫具有较高的比表面积，良好的抗腐蚀性、热稳定性和柔韧性，以及高度开放孔洞结构等特点，是一种非常有发展前途的电极材料。发明名称为“碳泡沫及其制备方法”(中国发明专利，专利号：ZL 01816023.9)公开了一种碳泡沫的制备方法，并描述了将此碳泡沫引入到各种最终应用，包括电池电极，电容器电极等；“包括碳泡沫集电体的蓄电池”(中国发明专利，专利号：ZL03814736.X)公开了一种用于蓄电池的碳泡沫集电体的制备方法；“用于蓄电池的不导电碳泡沫”(中国发明专利申请号：200780050031.6，公开号：CN101584063A)公开了一种用于电应用的碳泡沫蓄电池，其中包括相对不导电的低密度，高孔隙率的碳泡沫的制备方法。但是这些碳泡沫材料中，大多存在电导率不高、表面碳原子相对惰性等缺点，从而使得碳泡沫对电解质溶液的润湿性能较差，不能充分地利用其孔道表面进行电荷存储，并由此造成碳泡沫的电化学性能不够理想，限制了碳泡沫的进一步应用。因此，探索提高碳泡沫电化学性能的方法的研究极具实际意义。

发明内容

本发明的目的是公开一种碳泡沫的制备方法，用本发明的方法制备的碳泡沫对电解质溶液的润湿性好，能充分利用其孔道表面进行电荷存储，因此无论作为电池电极，还是电容器电极，均能克服现有碳泡沫电导率不高、表面碳原子相对惰性造成的电化学性能不够理想的缺点，为碳泡沫在电化学电容器电极材料等领域的实际应用作出了贡献，而且质量稳定，工艺简单。

为了达到上述目的，本发明在制备碳泡沫前驱体溶液中引入了钒酸盐，在接下去的碳化过程中钒酸盐转化成具有稳定的层状结构的钒酸钠纳米晶，均匀的嵌入碳泡沫骨架中，从而提高了碳泡沫的石墨化程度、导电性能以及润湿性能，得到具有较高的质量比电容和良好的充放电循环性能的碳泡沫。

具体的制备方法是按如下步骤进行的：

先按质量比称取苯酚∶甲醛∶钒酸盐∶表面活性剂∶氢氧化钠∶溶剂＝1∶(0.6～4)∶(0.01～0.5)∶(1～20)∶(0.01～0.5)∶100，混合均匀，得到碳泡沫前驱体溶液。然后将所得溶液置于15～60℃的环境中，使其中的溶剂完全挥发，得到固态碳泡沫前驱体。接着将所得的固态碳泡沫前驱体在100～200℃下固化1～24h，然后在惰性气的保护下，以1～60℃/min的升温速率升温至600～1400℃炭化0.5～10h，得到电化学性能高的碳泡沫。

上述表面活性剂可以是聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物EO₂₀PO₇₀EO₂₀，或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物EO₁₀₆PO₇₀EO₁₀₆，或山梨醇酐油酸酯。钒酸盐可以是偏钒酸钠，或偏钒酸铵。溶剂可以是水、无水甲醇、无水乙醇、四氢呋喃、丙酮、二甲亚砜、N，N-二甲基甲酰胺或二氧六环中的一种。惰性气为氮气或氩气。

本发明的优点是：

1.由于本发明在碳泡沫的制备过程中引入了钒酸盐，在炭化过程中钒酸盐转化成具有稳定的层状结构的钒酸钠纳米晶，嵌入碳泡沫骨架，从而提高了碳泡沫的石墨化程度和导电性能，使碳泡沫具有较高的质量比电容和良好的充放电循环性能。

2.本发明制得的碳泡沫由于其骨架中存在钒酸钠纳米晶，改善了碳泡沫的润湿性能，从而有利于将其作为电池电极，或电容器电极时电解液和碳泡沫电极能充分接触，增加了离子在碳泡沫孔道内的迁移速率，从而提高了碳泡沫的电化学性能。

3.本发明制得的碳泡沫在充放电循环过程中，耦合了碳泡沫骨架的双电层电容和钒酸钠纳米晶的赝电容，因此本发明所获得的碳泡沫与未嵌入钒酸盐纳米晶的碳泡沫相比，质量比电容提高。

4.在本发明制得的碳泡沫中，钒酸盐纳米晶不是负载在碳泡沫的外表面，而是均匀地嵌入碳泡沫的骨架中，从而使碳泡沫既可以在中性电解质溶液中工作，也可以在强碱性电解质溶液中工作。

5.本发明工艺简单，制得的碳泡沫质量稳定，获得的碳泡沫与未嵌入钒酸盐纳米晶的碳泡沫相比，质量比电容提高2～25％。

具体实施方式

实施例1