一种高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法及其应用

本发明涉及改性炭黑，特别是涉及一种高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法及其应用。

背景技术：

1、目前，超导电炭黑由于具有超高的比表面积、极低的电阻值和超导电性能，正在成为世界上最活跃的电容器储能开发材料之一。但是该材料的开发尚处在试验阶段，产品质量难以保证，现有方法制备的导电炭黑大部分纯度不高，性能不稳定，电阻高。

2、锂离子电池是一种性能优良的新型蓄电池，负极是炭材料，正极是含锂的过渡金属氧化物。充电时，锂离子从正极脱嵌，经电解质嵌入到炭负极中；放电时，过程相反、应用灵活。但实际上炭材料由于团聚的原因降低了碳材料的比表面积，使得容量偏低，距离理论容量(550f/g)相差较远，因此亟须一种超级电容器材料以解决现有技术中碳材料导电性差的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法及其应用。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，包括以下步骤：

3、(1)将炭黑在惰性氛围中进行碳化处理后与分散剂溶液混合得炭黑溶液；

4、(2)在炭黑溶液中加入碱性活化试剂搅拌得炭黑混合溶液，随后与活性气体进行碰撞反应得中间产物；

5、(3)将中间产物进行高温反应后即得所述纳米多孔超导电炭黑。

6、作为优选，步骤(1)中所述碳化处理的温度为1000-1800℃，所述碳化处理的保温时间为10-180min。

7、作为优选，步骤(1)中所述分散剂溶液为乙醇溶液；

8、所述乙醇溶液中水与炭黑的质量比为10-100：1；

9、所述乙醇溶液中乙醇占炭黑质量的0.1-1％。

10、作为优选，步骤(2)中炭黑与碱性活化试剂的质量比为1：0.1-1；

11、所述碱性活化试剂为naoh、nahco3或koh中的一种或多种。

12、作为优选，步骤(2)中所述活性气体为氢气、氧气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳或饱和水蒸汽中的一种或多种。

13、作为优选，步骤(2)中所述碰撞反应的温度为850-1600℃；

14、所述碰撞反应中炭黑混合溶液的流速为80-500kg/h，活性气体的流速为25-200kg/h。

15、作为优选，步骤(3)中所述高温反应为顺次进行的高温活化和高温碳化反应。

16、作为优选，所述高温活化的温度为550-800℃，保温时间为10-240min；

17、所述高温碳化的温度为1400-2500℃，保温时间为10-240min。

18、本发明还提供了上述制备方法得到的纳米多孔超导电炭黑。

19、本发明还提供了所述纳米多孔超导电炭黑在锂电池中的应用。

20、本发明具有以下有益效果：

21、本发明提供了一种高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，采取碳化-活化-高温碳化的工艺，初始的碳化使炭黑内部微观结构的类石墨域发生结构单元重排形成更大的类石墨域片层，提升了炭黑导电性；在高温下通入活性气体与炭黑进行活化反应使组成微晶的碳原子含量增大，从而进一步增强炭黑的导电性；最后进行高温碳化使炭黑内部微观结构的类石墨域再次发生重排，形成更大的类石墨域片层，以修复前序活化过程中对炭黑内部造成的缺陷，调整微观结构规整度，更有利于提升导电性；并且在高温碳化过程中，通过设置不同碳化温度，使物料中残存的化学试剂及其他表面官能团得到有效的去除，提升了产品的纯净度。

22、本发明还提供了所述制备方法得到的纳米多孔超导电炭黑，具有超高的比表面积、总孔容积、平均孔径和吸碘值，在具备高粉体电导率的同时还具有较低的粉体电阻率。从实施例结果可知，由本发明制备方法得到的纳米多孔超导电炭黑比表面积达到了835m2/kg、总孔容积为0.8856cm3/g、平均孔径为吸碘值为865g/kg，粉体电导率在达到5.5s/cm的同时粉体电阻率仅为0.16ω·cm是一种十分优异的导电产品。

23、本发明还提供了所述纳米多孔超导电炭黑在锂电池中的应用，将本发明提供的纳米多孔超导电炭黑作为导电剂涂覆于锂电池的正极和负极材料中，通过在活性物质表面形成导电网络从而加快电子和锂离子的传输速率，同时可保持电解液的量不变，为锂离子提供更多电解质界面，提升电池充电效率和延长电池使用寿命。从本发明实施例得知，将本发明的纳米多孔超导电炭黑应用在锂电池中，极化内阻(rp)小，具有较好的倍率特性，在0.1c的条件下电池的首效为94.43％，比容量为149.39mah/g，具有优异的导电效果。

技术特征：

1.一种高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，其特征在于，步骤(1)中所述碳化处理的温度为1000-1800℃，所述碳化处理的保温时间为10-180min。

3.如权利要求2所述的高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，其特征在于，步骤(1)中所述分散剂溶液为乙醇溶液；

4.如权利要求1所述的高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，其特征在于，步骤(2)中炭黑与碱性活化试剂的质量比为1：0.1-1；

5.如权利要求4所述的高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，其特征在于，步骤(2)中所述活性气体为氢气、氧气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳或饱和水蒸汽中的一种或多种。

6.如权利要求5所述的高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，其特征在于，步骤(2)中所述碰撞反应的温度为850-1600℃；

7.如权利要求1所述的高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，其特征在于，步骤(3)中所述高温反应为顺次进行的高温活化和高温碳化反应。

8.如权利要求7所述的高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，其特征在于，所述高温活化的温度为550-800℃，保温时间为10-240min；

9.一种权利要求1-8任一项所述方法制备得到的纳米多孔超导电炭黑。

10.一种权利要求9所述的纳米多孔超导电炭黑在化学电池中的应用。

技术总结
本发明涉及改性炭黑技术领域，公开了一种高温复合活化改性制备纳米多孔超导电炭黑的方法，包括以下步骤：将炭黑在惰性氛围中进行碳化处理后与分散剂溶液混合得炭黑溶液；在炭黑溶液中加入碱性活化试剂搅拌得炭黑混合溶液，随后与活性气体进行碰撞反应得中间产物；将中间产物进行高温反应后即得所述超导电炭黑。本发明采取碳化‑活化‑高温碳化的工艺，使炭黑内部微观结构的类石墨域发生重排，提升了炭黑导电性和纯净度。本发明得到的纳米多孔超导电炭黑的比表面积为835m<supgt;2</supgt;/kg、总孔容积为0.8856cm<supgt;3</supgt;/g、吸碘值为865g/kg，粉体电导率在达到5.5S/cm的同时粉体电阻率仅为0.16Ω·cm，是十分优异的导电产品。

技术研发人员：叶欣,邵光谱,张立群,王海燕,王宏,邵路,高裕跃
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16