[发明专利]一种三维空心材料及其制备方法和在电化学储能器件中的应用

权利要求书

1.一种三维空心材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将含有醚键的泡沫树脂材料在常压且不含氧的惰性气氛条件下，进行高温碳化，得到自支撑三维空心材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有醚键的泡沫树脂材料为苯酚-甲醛树脂、氨基苯酚-甲醛树脂、苯胺-甲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、脲醛树脂中的一种或几种。

优选地，在上述以甲醛为原料的泡沫树脂中，分子间具有如下桥键：-CH₂-、-CH₂-O-CH₂-，其中，所述含有醚键的桥键(-CH₂-O-CH₂-)占上述所有桥键的比例为：15-80％。

优选地，所述泡沫树脂的孔隙率为20-99％。

优选地，所述泡沫树脂材料为三聚氰胺-甲醛树脂、脲醛树脂。

优选地，所述泡沫树脂的孔隙率为30％，40％，50％，60％，70％，80-99％。

优选地，所述碳化温度为400-1600℃，例如，所述碳化的温度为500℃、600℃、700℃、800℃、900-1300℃、1400℃、1500℃、1600℃；碳化时间为0.5-50h，更优选为1-5h。

优选地，所述升温速率为0.5–20℃/min，例如为5-10℃/min。

优选地，所述惰性气氛为氮气、氩气、氦气、V_H2/V_Ar为5/95的氢/氩混合气。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述高温碳化可以在添加或不添加催化剂的条件下进行，所述催化剂为硼及其化合物，铁及其化合物，镍及其化合物，硅及其化合物，锗及其化合物，铜及其化合物，钙及其化合物，镁及其化合物，铝及其化合物中的一种或几种。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，将所述泡沫树脂材料浸泡在催化剂溶液中，将所述催化剂负载在所述泡沫树脂材料上。

优选地，所述催化剂相对于所有反应物所添加的质量百分数为0.1-30％，例如为1-5％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述三维空心材料可以进一步在造孔剂的作用下进行活化造孔，从而得到三维多微孔空心材料。

优选地，所述造孔剂为KOH，所述KOH相对于所有反应物所添加的质量百分数为5-50％。

6.一种三维空心材料，其特征在于，所述三维空心材料由权利要求1-5中任一项所述方法制备得到。

7.一种三维空心材料，其特征在于，所述三维空心材料具有自支撑三维结构和空心结构，三维骨架的连接点是空心球，连接点之间由空心管连接，形成三维空心结构。

8.一种根据权利要求6或7所述的三维空心材料的用途，其特征在于，用作电极材料。

9.一种电极，其特征在于，所述电极包括根据权利要求6或7所述的三维空心材料。

优选地，所述电极由所述三维空心材料所组成。

优选地，所述电极还包括高比容量活性电极材料，即形成复合电极。优选地，所述高比容量活性电极材料占整个复合电极的质量分数为10-90％，更优选地，为50-70％。

优选地，所述高比容量活性电极材料包括红磷，黑磷，硅，锡及氧化锡，锑及其氧化物，锗及其氧化物，过渡金属氧化物(例如锰的氧化物，钛的氧化物，镍的氧化物，钼的氧化物)中的一种或几种。

优选地，所述复合电极的具体制备方法为，将红磷，黑磷，硅，锡，锑，锗中的一种或几种与粘结剂搅拌形成浆料，然后将所述三维空心材料置入所述浆料中浸渍，超声，搅拌，烘干后获得复合电极。如果所述高比容量活性电极材料采用氧化物，则通过将所述三维空心材料置于氧化物前驱体溶胶中浸渍、超声和烘干，再在常压且不含氧的惰性气氛中进行碳化形成复合电极。其中，锡的氧化物前驱体为四氯化锡或异丙醇锡，锑的氧化物前驱体为硫酸锑或硝酸锑，锗的氧化物前驱体为四氯化锗，锰的氧化物前驱体为硝酸锰、醋酸锰、硫酸锰，镍的氧化物前驱体为硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍，钼的氧化物前驱体为钼酸铵，钛的氧化物前驱体为钛酸四丁酯。

10.一种根据权利要求9所述的电极的用途，其特征在于，用作电化学储能器件。

优选地，所述电化学储能器件为锂离子电池，钠离子电池及金属钠电池，钾离子电池及金属钾电池，锂-空电池，铝离子电池，钙离子电池，超级电容器。

优选地，应用于所述储能器件的正极、负极或集流体。

优选地，应用于所述储能器件的负极。