多孔碳材料及其制备方法、硅碳材料及电化学装置与流程

本申请涉及电化学，尤其涉及一种多孔碳材料及其制备方法、硅碳材料及电化学装置。

背景技术：

1、多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，其具有强吸附特性，已被广泛应用于气体净化、气体分离、污水处理等领域，在工业生产和人们日常生活中被广泛应用。

2、多孔碳材料作为多孔材料的一种，具有来源广、成本低、易制备等优势被广泛研究。通常，应用于不同领域的多孔碳材料比表面积和孔径结构差异明显，难以平衡多孔碳材料比表面积、孔容特征和其颗粒弹性模量性能。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种多孔碳材料、其制备方法及其用途，多孔碳材料具有显著提高的颗粒弹性模量。

2、第一方面，本申请提供一种多孔碳材料，包括碳纳米管和碳材料颗粒，所述多孔碳材料的颗粒弹性模量为y1，y1满足：0.9gpa≤y1≤5.0gpa。

3、在一些示例性的实施例中，所述碳纳米管的直径为l1，l1满足：0.005μm≤l1≤0.05μm。

4、在一些示例性的实施例中，所述碳材料颗粒满足以下条件中的至少一者：

5、(1)所述碳材料颗粒的球形度为d，d满足：0.4≤d≤0.99；

6、(2)所述碳材料颗粒的粒径dv50满足：1μm≤dv50≤20μm。

7、在一些示例性的实施例中，所述多孔碳材料的比表面积为ε，ε满足：1300m2/g≤ε≤2800m2/g。

8、在一些示例性的实施例中，所述多孔碳材料的总孔容为p0cc/g，所述多孔碳材料中孔径＜2nm的孔的孔容为p1 cc/g，所述多孔碳材料中孔径＜1nm的孔的孔容为p2 cc/g，其中，p0、p1和p2均为单点计算的孔容；所述多孔碳材料满足如下条件中的至少一种：

9、(1)0.5≤p0≤2.0；

10、(2)0.7≤p1/p0≤0.99；

11、(3)0.05≤p2/p0≤0.5。

12、在一些示例性的实施例中，所述多孔碳材料满足如下条件中的至少一种：

13、(1)0.4≤p1≤1.3；

14、(2)0.01≤p2≤0.6。

15、在一些示例性的实施例中，所述多孔碳材料在130mpa压力下的粉末电导率为ρ，ρ满足：3s/cm≤ρ≤30s/cm。

16、在一些示例性的实施例中，单个所述多孔碳材料的颗粒截面开孔的数量为m，0≤m≤3；单个所述多孔碳材料颗粒截面开孔的直径为h，h满足：100nm＜h＜2000nm。

17、在一些示例性的实施例中，通过扫描电镜图观察所述多孔碳材料，在50μm×50μm区域内，所述单根碳纳米管穿过不大于4个所述碳材料颗粒，且单个所述碳材料颗粒中存在的碳纳米管数目为1～10。

18、第二方面，本申请提供一种多孔碳材料的制备方法，包括，

19、将碳纳米管、碳材料前驱体和固化剂按照预设质量比混合均匀，于第一保护气氛中升温至第一反应温度t1以进行程序固化处理，获得混合前驱体；

20、将所述混合前驱体在第二反应温度t2下并于第二保护气氛中进行碳化处理，获得碳化预处理物；

21、将所述碳化预处理物破碎、筛分后，在第三反应温度t3下并于第三保护气氛中进行活化处理，得到多孔碳材料；

22、其中，所述多孔碳材料的颗粒弹性模量为y1，y1满足：0.9gpa≤y1≤5.0gpa。

23、在一些示例性的实施例中，所述预设质量比为：所述碳纳米管占所述混合前驱体的质量百分含量c，c满足：1％≤c≤6％。

24、在一些示例性的实施例中，所述碳材料前驱体包括环氧树脂、酚醛树脂、密胺树脂、聚苯胺、聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、沥青、煤焦油、双酚a、乌洛托品中的一种或多种。

25、在一些示例性的实施例中，所述程序固化处理包括：

26、多步升温固化过程，所述多步升温固化过程包括2至5℃/min升温至80℃，1至3℃/min升温至100℃，保温第一保温时间ty，随后1至3℃/min升温至第一反应温度t1，保温所述第一时间t1。

27、在一些示例性的实施例中，第一反应温度t1满足：100℃≤t1≤200℃；进行程序固化处理的时间为第一时间t1，t1满足：8h≤t1≤12h；和/或，

28、第二反应温度t2满足：900℃≤t2≤1300℃；进行碳化处理的时间为第二时间t2，t2满足：1h≤t2≤4h；和/或，

29、第三反应温度t3满足：900℃≤t3≤1000℃；进行活化处理的时间为第三时间t3，t3满足：10h≤t3≤14h。

30、在一些示例性的实施例中，所述第一保护气氛为氧/氮混合气，其中氧气占比为10～20％；和/或，

31、所述第二保护气氛为氮气、氩气中的一种；和/或，

32、所述第三保护气氛为二氧化碳、二氧化碳/氧气、二氧化碳/氮气、二氧化碳/氧气/氮气、水蒸气/二氧化碳中的一种，其中二氧化碳气体占比为50％至100％。

33、第三方面，本申请提供一种硅碳材料，所述硅碳材料如上所述的多孔碳材料；和/或，包括如上所述的制备方法制备的任意一种多孔碳材料。

34、第四方面，本申请提供一种电化学装置，包括正极、电解液、隔膜和负极，所述负极包含集流体和负极活性材料层，所述负极活性材料层包含如上所述的硅碳材料。

35、基于本申请实施例的多孔碳材料、硅碳材料及电化学装置，至少具有如下

36、有益效果：

37、本申请制备的多孔碳材料具有高比表面积、均一孔径分布，同时具有高颗粒弹性模量和高粉末电导率。

38、以本申请中的多孔碳材料作为骨架，制备硅碳材料应用于电化学装置中时，可使得硅碳材料具有较高的颗粒弹性模量和粉末电导率，提升电化学装置的长循环性能、倍率性能等电化学性能。

技术特征：

1.一种多孔碳材料，其特征在于，包括碳纳米管和碳材料颗粒，所述多孔碳材料的颗粒弹性模量为y1，y1满足：0.9gpa≤y1≤5.0gpa。

2.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，所述碳纳米管的直径为l1，l1满足：0.005μm≤l1≤0.05μm。

3.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，所述碳材料颗粒满足以下条件中的至少一者：

4.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料的比表面积为ε，ε满足：1300m2/g≤ε≤2800m2/g。

5.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料满足如下条件中的至少一种：

7.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料在130mpa压力下的粉末电导率为ρ，ρ满足：3s/cm≤ρ≤30s/cm。

8.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，单个所述多孔碳材料的颗粒截面开孔的数量为m，0＜m≤3；单个所述多孔碳材料颗粒截面开孔的直径为h，h满足：100nm＜h＜2000nm。

9.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，通过扫描电镜图观察所述多孔碳材料，在50μm×50μm区域内，所述单根碳纳米管穿过不大于4个所述碳材料颗粒，且单个所述碳材料颗粒中存在的碳纳米管数目为1～10。

10.一种硅碳材料，其包括硅材料和如权利要求1至9中任一项所述的多孔碳材料。

11.一种电化学装置，其包括正极、电解液、隔膜和负极，所述负极包含负极活性材料层，所述负极活性材料层包含负极活性材料，所述负极活性材料包含如权利要求10所述的硅碳材料。

12.一种多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括，

13.根据权利要求12所述多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述预设质量比为：所述碳纳米管占所述混合前驱体的质量百分含量c，c满足：1％≤c≤6％。

14.根据权利要求12所述多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述碳材料前驱体包括环氧树脂、酚醛树脂、密胺树脂、聚苯胺、聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、沥青、煤焦油、双酚a、乌洛托品中的一种或多种。

15.根据权利要求12所述多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述程序固化处理包括：

16.根据权利要求12所述多孔碳材料的制备方法，其特征在于，

17.根据权利要求12所述多孔碳材料的制备方法，其特征在于，

技术总结
本申请公开了一种多孔碳材料及其制备方法、硅碳材料及电化学装置，多孔碳材料包括碳纳米管和碳材料颗粒，多孔碳材料的颗粒弹性模量为Y1，Y1满足：0.9Gpa≤Y1≤5.0Gpa。本申请的多孔碳材料具有高颗粒弹性模量和高粉末电导率。以本申请中的多孔碳材料作为骨架，制备硅碳材料应用于电化学装置中时，可使得硅碳材料具有较高的颗粒弹性模量和粉末电导率，提升电化学装置的长循环性能、倍率性能等电化学性能。

技术研发人员：邵文龙,易政,谭福金,谢远森
受保护的技术使用者：宁德新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14