[发明专利]一种三维多孔石墨材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种三维多孔石墨材料及其制备方法和应用，该制备方法包括：1)将含碳聚合物的凝胶进行冷冻干燥；2)将步骤1)中的干燥物在温度为2000～3000℃的条件下进行碳化处理。其中，步骤1)中含碳聚合物的凝胶中含有溶剂A，所述溶剂A的凝固点高于所述冷冻干燥的温度。本发明制备的三维多孔石墨材料具有活性位点多、高石墨化度和分级多孔的特点，可有效提高电池的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明属于石墨材料技术领域，具体涉及一种三维多孔石墨材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因其具有电压高、能量密度大及循环稳定等优点，使其成为大部分电子产品和能源动力设备的储能器件。但锂金属在地壳中的含量约为0.0065％且全球70％的锂都在南美洲，我国虽然也有些锂资源，但社会的快速发展使得我国每年的锂需求量巨大，每年都需要从国外大量进口。稀缺的锂资源对于未来交通发展和社会建设是极为不利的，为了解决锂资源不足的难题，研究者们把目光投向了与锂处于同一主族的钾元素上。

做为钾离子电池负极材料的石墨具有低廉的价格和成熟的生产工艺，但石墨作为钾离子电池的负极材料时仍面临着一些问题：例如K⁺的尺寸比Li⁺的尺寸大得多，石墨在充放电循环过程中会存在较大的体积变化，特别是石墨形成KC₈后材料的体积膨胀约为61％，远远大于石墨形成LiC₆时的10％，会导致在长期循环时结构容易发生变化，因此对石墨材料的循环稳定性有较高要求，另外，考虑到石墨的库仑效率、倍率性能和生产成本等问题，迫切需要对石墨的结构设计和制造方法进行改进。

发明内容

为改善上述技术问题，本发明的目的在于提出一种三维多孔石墨材料。

本发明另一目的在于提供了上述三维多孔石墨材料的制备方法。

本发明再一目的在于提供了上述三维多孔石墨材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种三维多孔石墨材料的制备方法，包括：

1)将含碳聚合物的凝胶进行冷冻干燥；

2)将步骤1)中的干燥物在温度为2000～3000℃的条件下进行碳化处理。

其中，步骤1)中含碳聚合物的凝胶中含有溶剂A，所述溶剂A的凝固点高于所述冷冻干燥的温度。

根据本发明的实施方案，所述溶剂A的凝固点高于冷冻干燥温度5℃以上，或10℃以上，或15℃以上。

根据本发明的实施方案，所述溶剂A的凝固点例如大于等于0℃，或大于等于5℃。

根据本发明的实施方案，步骤1)中含碳聚合物的凝胶中仅含有溶剂A。

根据本发明的实施方案，所述溶剂A例如为水、叔丁醇、冰乙酸、二甲基亚砜、环丁砜中的一种或多种。

根据本发明的实施方案，步骤1)中，所述冷冻干燥的温度为-80～0℃，优选为-50～0℃，例如所述冷冻干燥的温度为-40～-10℃。

根据本发明的实施方案，步骤1)中，所述冷冻干燥降温速率例如为0～200℃/s，或1～100℃/s，或2～50℃/s。

根据本发明的实施方案，步骤1)中，所述冷冻干燥的时间为0.5～2天，优选为1～2天。

根据本发明的实施方案，步骤1)中，所述冷冻、干燥的温度相同或不同。例如在温度为-40℃下冷冻干燥1天；或者例如先在-18℃的条件下冷冻后再在-40℃下干燥1天。