[发明专利]一种空心碳球及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种空心碳球及其制备方法和应用，所述空心碳球的制备原料包括碳源和催化剂；所述碳源包括聚四氟乙烯或聚四氟乙烯与其他碳源的组合。本发明所述空心碳球分散程度高，粒径较小且均一，石墨化程度高，作为锂离子电池负极材料时具有较高的可逆比容量和优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，尤其涉及一种空心碳球及其制备方法和应用。

背景技术

碳材料因具有低廉的价格、较低的工作电压、高的导电性、较好的循环寿命，以及锂嵌入/脱出过程中体积变化小等优点，已被广泛应用于锂离子电池电极材料，而且，碳材料也可应用于钠离子电池、钾离子电池、超级电容器等能源领域。

CN110729480A公开了一种氮掺杂多孔空心碳球及其制备方法，其公开的制备方法通过三聚氰胺和甲醛一步缩合得到密胺树脂小球，将该小球作为模板，以吡咯为氮源和碳源，过硫酸铵为催化剂，实现聚吡咯包覆在密胺树脂小球上；通过控制焙烧，使密胺树脂小球在焙烧过程中逐渐分解，得到氮掺杂的多孔空心碳球。但是其公开的制备方法形成的空心碳球粒径较大。

CN112090395A公开了一种利用不同活化剂制备具有超高染料吸附性能碳笼的方法。其公开的方法包括以下步骤：将焦油、无水乙醇和二氧化硅搅拌混合均匀后干燥，得到硅炭材料，然后将其进行碳化，得到焦油碳包裹纳米二氧化硅的C/SiO₂材料；将C/SiO₂材料加入到水中，并加入氢氟酸，搅拌混合均匀，分离，干燥，得到空心碳球；将活化剂加入到空心碳球中，加水搅拌均匀，干燥后将其进行活化，活化后加入到水中，固液分离，取固体洗涤干燥，得到所述具有超高染料吸附性能碳笼。其公开的制备方法利用活化剂对空心碳球起到渗透、吸附和润湿的作用，以改变其的表面，能够有效的提高多孔碳笼的比表面积，进而能够有效的提高多孔碳笼对染料的吸附性能，但是其未考虑碳笼粒径和壁厚对吸附效率的影响。

CN112265979A公开了一种氮掺杂空心碳球的制备方法，其公开的制备过程是以碳包覆的二氧化钛介晶为模板，在高温下将碳层石墨化，进一步借助氢氟酸将内部的二氧化钛溶解，即可得到氮掺杂的空心碳球。所制备的氮掺杂空心碳球具有很好循环稳定性和倍率性能，但是其公开的碳球是从掺杂的角度去进行改性，所用方法未形成粒径较小的碳球，粒径均匀性较差。

综上所述，开发一种粒径较小且均匀的空心碳球至关重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空心碳球及其制备方法和应用，所述空心碳球分散程度高，粒径较小且均一。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种空心碳球，所述空心碳球的制备原料包括碳源和催化剂；

所述碳源包括聚四氟乙烯或聚四氟乙烯与其他碳源的组合。

本发明所述空心碳球以聚四氟乙烯或聚四氟乙烯与其他碳源的组合作为碳源，利用聚四氟乙烯低温下升华的性质，使反应在气态下进行，催化剂催化碳源原位裂解获得空心碳球。气态条件下发生反应所得空心碳球分散程度高，粒径较小且均一，石墨化程度高。

优选地，所述空心碳球的形状为球形或类球形。

优选地，所述空心碳球的粒径D50为10-50nm，例如10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm和50nm等。

优选地，所述空心碳球的壁厚为4-10nm，例如4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm和10nm等。

优选地，所述催化剂包括二茂铁和/或三氯化铁，优选二茂铁。

本发明优选二茂铁作为催化剂是因为其低温会升华，可以在气态反应下与聚四氟乙烯中的氟离子发生反应，使碳原子原位释放，生成空心碳球。气态反应所得空心碳球分散程度高，粒径较小且均一，石墨化程度高。