[发明专利]一种生物微晶石墨-碳纳米膜碳电极及其制备方法与电池

说明书

本发明公开了一种生物微晶石墨‑碳纳米膜碳电极及其制备方法与电池。这种碳电极主要由具有植物微观结构的微晶石墨组成，在微晶石墨之间，充填有碳纳米膜和相互连通的微米至亚微米级微孔。在制备方法上，是以天然植物粉体为前躯体，通过结构保全和催化炭化技术获得生物微晶石墨‑碳纳米膜碳材料，制备成本具有竞争优势。生物微晶石墨‑碳纳米膜碳电极具有比表面积大，电化学活性和电导率高的优点，适合于用作锂离子电池、铝离子电池和其它各类二次电池的阴极，也适合于用作海水‑铝电池的阳极。这种碳电极有利于提高电池的容量及综合性能，在高容量电池领域具有广泛的应用前景，在化工、催化和功能性材料领域也具有一定的应用潜力。

技术领域

本发明属于能源领域，具体涉及一种生物微晶石墨-碳纳米膜碳电极及其制备方法与电池。

背景技术

在电极材料中添加石墨烯或碳纳米管能显著提高电极的性能，但石墨烯和碳纳米管的制备技术复杂，价格不菲，将它们大规模应用于电极材料制备在成本上不具有市场竞争力。

在另一方面，许多草本、木本植物的组成主要为碳水化合物，而且它们的细胞组成了精细的中空结构，这些由植物细胞组成的中空结构在炭化后能形成富含类似于石墨烯和碳纳米膜的碳素材料。从植物细胞到类石墨烯碳素材料的最大障碍是高温煅烧过程中原始结构的收缩、坍塌和破坏。在高温煅烧前，采用适当的固化技术，避免植物的原生结构在煅烧时被破坏，就能够获得类似石墨烯的生物微晶石墨。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物微晶石墨-碳纳米膜碳电极及其制备方法与电池。

本发明尝试以天然植物粉体为前躯体，通过结构保全和催化炭化技术获得生物微晶石墨-碳纳米膜碳材料，并以此为基础，提供一种高性能碳电极，尝试将这种碳电极应用于高能量密度电池。本发明具体采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种生物微晶石墨-碳纳米膜碳电极，它是由具有植物结构的微晶石墨组成，在微晶石墨之间，充填有碳纳米膜和相互连通的微米至亚微米级微孔。

第二方面，本发明提供了一种生物微晶石墨-碳纳米膜碳电极的制备方法，它包括以下步骤：

1)将季铵盐、聚乙二醇和硝酸镍溶于水，配制成水溶液，其中季铵盐和聚乙二醇的浓度均为4-6wt.％，硝酸镍浓度2-3wt.％；

2)将碳源物质与所述水溶液混合，固液比为4:1至6:1，充分搅拌使物料混合均匀，然后在100至150℃将物料烘干；

3)在60-65wt.％的酚醛树脂酒精溶液中加入造孔剂，搅拌均匀得到粘合剂，粘合剂中造孔剂的浓度为10-20wt.％；在烘干后的碳源物质中加入配制好的粘合剂，固液比为1:0.8至1:1.2，充分搅拌使混合均匀；

4)将混合物装入专用模具中并预埋一根镍丝作为连接外电路的导线，压制成型后连同模具一起放入170℃至200℃烘箱中恒温1-2小时，使酚醛树脂固化，脱模后得到电极胚；

5)在氮气保护下，将电极胚加热到700至900℃，并恒温2-5小时，得到生物微晶石墨-碳纳米膜碳电极。

本发明中所说的专用模具是指用于压制形成电极胚的模具，模具中具有与电极胚形态一致的型腔。

用作表面活性剂的季铵盐推荐使用十六烷基三甲基溴化铵，聚乙二醇推荐使用分子量6000及以下的产品。

优选的，所述的碳源物质是木质纤维素、玉米芯粉、米糠粉、甘蔗渣粉等富含纤维素的植物粉末中的一种或数种。

优选的，所述的造孔剂是乙醇胺、丙醇胺、异丙醇胺、异丁醇胺中的一种或数种。