[发明专利]一种多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种多孔碳材料及其制备方法和应用。该多孔碳材料的制备方法包括以下步骤：使二甲基咪唑与硝酸钴水溶液混合反应，反应得到的产物依次经过第一次退火处理以及第二次退火处理，得到含钴碳材料；第二次退火处理的热处理温度大于第一次退火处理的热处理温度；含钴碳材料再依次经过酸洗过程以及在酸性体系中的水热处理，得到所述多孔碳材料。该制备方法采用简单的方法合成了具有网络结构的多孔碳材料，该方法反应过程简单、不需要大型的设备和苛刻的条件，对环境友好、成本低；通过简单的方法对材料结构进行调控，通过控制药品用量、温度等参数，充分利用多孔碳特殊的结构，实现了优异的储钾或储钠特性。

技术领域

本发明属于电池领域，涉及一种多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，能源问题已成为全世界关注的焦点。石油、煤碳、天然气等化石能源储量急剧减少，另外这类能源过度使用导致的环境破坏、气候变化等问题，迫使人们将目光转向清洁能源。当代社会对新电池技术的需求不断增加，特别是对大规模固定电源的应用，需要更丰富的储备和更低的成本。锂离子电池(LIBs)的能量存储技术已发展成熟，自1991年商业化以来，主导便携式能量存储和传输的市场。但是锂的储量极大地阻碍了LIBs的大规模应用。锂储量目前仅为0.17％左右，地理分布有限。此外，锂金属的回收问题在未来10年仍不能完全解决，因此，开发锂离子电池的替代品迫在眉睫。其中钾/钠元素因其资源丰富、价格低廉有望代替锂元素，设计钾离子电池(PIBs)或钠离子电池(SIBs)作为LIBs的合理替代品，引起了研究者的极大兴趣。目前，已有大量的研究投入到对SIBs和PIBs的探索中，包括电极材料、电解液以及其他重要的电池组分。其中，碳材料由于来源丰富、成本低廉、稳定的物化性质、以及可控的结构等优势，目前已经成为最具有商业化前景的SIBs/PIBs的负极材料。然而，由于钾/钠离子的大尺寸，碳基负极材料较差电化学性能成为钾离子电池或钠离子电池应用的瓶颈。不同的碳材料在储钠/钾过程中仍然存在各自的难题。比如，石墨作为商业化锂离子电池的负极，但是储钠容量非常低，而储钾过程伴随严重的体积膨胀；软碳虽然较石墨有较高的储钠容量，但是缺乏平台容量，全电池的能量密度受到限制，而作为储钾的负极，软碳的层间距仍然不够满足高容量的需求；硬碳，虽然具有更高的储钠/钾容量，但是首周库仑效率较低，也会影响全电池的实际性能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多孔碳材料及其制备方法和应用，从而通过简单便捷的方法实现具有网络结构的多孔碳材料的可控制备。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：使二甲基咪唑与硝酸钴水溶液混合反应，反应得到的产物依次经过第一次退火处理以及第二次退火处理，得到含钴碳材料；所述第二次退火处理的热处理温度大于第一次退火处理的热处理温度；

S2：所述含钴碳材料依次经过酸洗过程以及在酸性体系中的水热处理过程，得到所述多孔碳材料。

优选的，所述步骤S1中第一次退火处理的热处理温度为450～600℃/min。

优选的，所述步骤S1中第二次退火处理的热处理温度为700～1100℃/min优选的，所述步骤S2中采用盐酸或者硫酸对含钴碳材料进行酸洗过程。

优选的，所述步骤S2中的在酸性体系水热处理过程具体为：将硝酸加入酸洗干燥后的产物中，在60～80℃水热处理12～24h。

优选的，所述二甲基咪唑与硝酸钴的摩尔比为(4～32):1。

一种多孔碳材料，通过上述的制备方法制得。

优选的，所述的多孔碳材料的平均孔径为3～7nm。

上述的多孔碳材料在负极材料中的应用。

上述的负极材料在钾离子电池或钠离子电池中的应用。