[发明专利]一种多孔碳阳极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种制备多孔碳阳极材料的方法，具体以热固性酚醛树脂为碳源，将所述酚醛树脂置于管式炉中，在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，之后冷却至室温，将热解产物进行研磨到微米级，得到所述多孔碳阳极材料。本发明由酚醛树脂烧制成陶瓷粉末，作为锂电池阳极材料的方法，与石墨热解酚醛树脂相比，本发明提供的酚醛树脂阳极表现出额外的普通可逆容量和循环性能，在流量密度为100mA·g^‑1时，500次循环后容量保持率为600mAh·g^‑1。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，特别涉及一种多孔碳阳极材料及其制备方法和应用。

背景技术

多孔炭材料是有不同尺寸孔结构的炭素材料，其具有高度发达的比表面积和孔隙结构，其孔径大小可从分子大小的超细纳米级微孔到适于微生物活动的微米级细孔，按照国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的规定，按其孔径的大小可分为微孔(<2nm)、中孔(2-50nm)和大孔(>50nm)三种。作为一种新材料，其具有优异的物理化学性质，如导电、导热、耐高温，耐腐蚀，使其在催化、锂离子电池电极材料、吸附、储氨、电容器等领域展示出优异的应用前景。

目前，多孔碳阳极材料的合成方法主要包括硬模板法、软模板法和活化法等，其中，硬模板法合成多孔碳材料主要是由于二氧化硅的介孔能够被碳的前驱体(比如蔗糖)填充，从而从二氧化硅模板中生成一个碳的复制品。将硅模板浸蚀之后就可以得到介孔碳材料，这种材料的结构是由二氧化硅模板的形貌所决定的；硬模板法合成的多孔碳材料是其模板的反相复制品，在合成过程中难免会引入一些杂质。软模板法是一种利用前驱体与表面活性剂反应，经过聚合、碳化而自组装合成多孔碳材料的方法。软模板法制备的产物孔结构主要由合成条件决定，比如反应物比例、溶剂和温度等。软模板目前没有明确的定义，其与硬模板的区别在于软模板是基于分子层次合成，利用氢键、亲/疏水作用力或离子配位作用力构筑多孔材料等。与硬模板法不同，软模板法中模板与碳前驱体之间的化学反应在软模板合成多孔碳材料的过程中要起到关键作用，但是工艺较为复杂。活化法一般是用活化试剂在高温下处理完成，活化试剂侵蚀碳的表面，留下纳米级的裂缝，也就是微孔或小的介孔。水蒸汽是一种较好的活化试剂，它无需活化后处理来除去副产品。然而，水蒸汽活化会在表面留下一些含氧官能团从而影响材料的导电性，碱性活化则需要额外的步骤来除去孔中的碱和盐。

综上，现有技术生产多孔碳阳极材料较为复杂，合成成本高，不利于大规模生产。因此，提供一种工艺简单、合成成本低、可大规模生产多孔碳阳极材料的方法是非常有必要的。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种制备多孔碳阳极材料的方法，以热固性酚醛树脂为碳源，将所述酚醛树脂置于管式炉中，在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，之后程序降温，将热解产物进行研磨到微米级，得到所述多孔碳阳极材料。

优选地，所述热固性酚醛树脂是以水作为溶剂，将苯酚和甲醛在草酸的催化作用下进行缩聚反应制备得到的。

更优选地，所述热固性酚醛树脂的具备制备过程如下：

将苯酚、37％甲醛和草酸充分溶解在水溶剂中，得到混合溶液，将混合溶液在室温下进行回流反应，反应时间为0.5～1h；然后向反应产物中加入一定量的水进行沉淀，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时，得到聚合物，将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，即得到所述热固性酚醛树脂；

其中，每升水溶剂中溶解有100mol的苯酚，85mol的37％甲醛，10mol的草酸。

更优选地，对所述酚醛树脂进行热解的升温速率为5℃/min。

优选地，所述多孔碳阳极材料的尺寸为20～30μm。

本发明还提供了上述任一方法制备得到的多孔碳阳极材料。