[发明专利]一种基于碱木质素的多孔碳正极和采用该正极的离子电容器

说明书

本发明公开了由碱木质素经碳化和两步热处理活化制备多孔碳材料的方法以及由此产生的多孔碳材料，其中碱木质素中钠原子的含量按原子数比重计为约3％‑6％、氧原子的含量按原子数比重计为约22％‑26％、碳原子的含量按原子数比重计为约66％‑70％、硫原子的含量按原子数比重计为约1％‑3％。本发明的多孔碳材料具有微‑介孔相配合的孔隙结构，其孔径分布在约0.5‑5nm之间，比表面积大于约2200m²/g，以及孔总比体积不小于约1.0cm³/g。进一步地，本发明还公开了多孔碳材料作为离子电容器的正极的用途以及包含该正极的离子电容器，尤其是钠离子或钾离子电容器。本发明的电容器在1.0‑4.8V充放电范围内，分别具有约189.5‑240mAh/g和约166‑280mAh/g的放电比容量，以及约487‑558Wh/kg和约458‑631Wh/kg的放电比能量，且具有良好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于储能材料领域，具体而言，本发明涉及一种制备多孔碳材料的方法、由该方法产生的多孔碳材料、该多孔碳材料作为离子电容器的正极的用途、以及包含该正极的离子电容器，尤其是钠离子或钾离子电容器。

背景技术

离子电容器(ion capacitor)是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，兼有高功率密度、高能量密度和长寿命等优异特性，且在诸多领域有广泛的应用前景，因而吸引了全球研究者的广泛关注。

基于有机系(酯类，醚类等)电解液的离子电容器因为其较高的能量密度和功率密度而具有广阔的研究和应用前景。离子电容器的负极一般由具有层状结构、可实现离子可逆嵌入/脱出的材料构成，如石墨、Li₄Ti₅O₁₂等；而正极一般由具有高比表面积的多孔碳材料构成，如活性炭，多孔碳纤维，碳纳米管，生物质基多孔碳材料等，其储能机制主要为基于电化学双电层的离子吸/脱附。

能量密度和功率密度是衡量离子电容器性能的主要指标，而电极材料是决定超级电容器性能的关键因素。目前，锂离子电容器因其优异的性能成为研究的热点，而钠、钾元素因其在地壳中丰富的含量(钠:23,000ppm；钾:17,000ppm)以及其与锂元素相近的氧化还原反应电位(Na⁺/Na：-2.71V vs SHE；K⁺/K：-2.94V vs SHE)而备受关注。

另一方面，多孔碳材料因其具有发达的孔隙结构以及高的比表面积而被广泛应用到离子电容器中。现有技术已由其他材料制备出具有较高比表面积的多孔碳材料，并将其应用在离子电容器中。

然而，在有机系离子电容器中，过高的比表面积会消耗过多的电解液来形成稳定的固-液界面层(SEI)，也会带过更多的潜在的电极副反应，从而影响离子电容器的电化学性能和稳定性。因此，找到具有适宜的比表面积(例如约2200-3000m²/g)和孔径分布的多孔材料十分重要。

木质素作为地球上第二丰富的可再生天然聚合物，广泛存在于木质材料中(如树干、树皮)，是组成植物细胞壁的重要成分，其含碳量介于50-80％之间。碱木质素作为造纸产业中的重要副产品，是制备硬碳以及多孔碳材料的重要碳源。如专利CN 106910990A公布了一种以木质素、纤维素等为原料，通过水热反应制备可用作钠离子电池负极的硬碳纳米球的方法。专利CN 107956001A介绍了一种通过静电纺丝技术制备木质素纳米炭纤维及其在超级电容器中的应用。此外，专利CN 101323445A公布了一种由碱木质素、苯酚、甲醛等合成的碱木质素酚醛树脂的制备，经过湿法纺丝、预氧化、碳化等一系列处理，可得到孔径在80～900nm的多孔碳膜/纤维材料。专利CN 103253651 A以木质素为原料，通过低温预碳化，惰性气氛下快速升温碳化的方法获得了木质素基多孔碳材料，其比表面积为628～726m²/g。