针状焦基纳米碳材料及其制备方法、锂离子电容器负极材料和锂离子电容器负极与流程

本发明涉及电化学储能，具体涉及一种针状焦基纳米碳材料及其制备方法、锂离子电容器负极材料和锂离子电容器负极。

背景技术：

1、锂离子电容器是由电容型正极和电池型负极组成的新型储能器件，其能量密度高于传统的双电层电容器，功率密度优于锂离子电池，能够满足更多应用场景。目前，锂离子电容器负极材料主要集中在石墨材料和纳米碳材料。其中，石墨材料倍率性能比较差，无法与电容型正极较好的匹配。而已报道的纳米碳材料负极，往往成本较高，而且比表面积大，造成体积能量密度低。

2、针状焦作为石墨负极的前驱体，具有优良的性质，而且生产工艺成熟，成本相对较低，然而，未经高温处理的针状焦，其石墨化程度低，而且比容量低于石墨材料，无法满足锂离子电容器负极的需求。

3、对针状焦刻蚀造孔是提升比容量和倍率性能的一个有效手段，但是现有技术中得到的材料一般都表现出较高的比表面积，应用于超级电容器等领域。对于针状焦基碳材料的孔结构和孔分布对于制得的锂离子电容器负极性能的研究存在空白。

4、因此，需要通过简单的工艺路线，有效调控针状焦的结构，提高负极次材料的倍率性能，对于锂离子电容器负极材料的发展具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的锂离子电容器负极材料体积能量密度低、倍率性能差的问题，提供一种针状焦基纳米碳材料及其制备方法、锂离子电容器负极材料和锂离子电容器负极。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种针状焦基纳米碳材料，所述针状焦基纳米碳材料中包括多级孔结构，其中，所述针状焦基纳米碳材料的总比表面积为3-50m2/g，以所述针状焦基纳米碳材料的总比表面积为基准，介孔和大孔的总比表面积占比不低于50％；

3、由x射线光电子能谱测得所述针状焦基纳米碳材料表面，碳的摩尔百分含量为80-95％，氧的摩尔百分含量为1％-15％，氮的摩尔百分含量为0.5-2％，硫的摩尔百分含量为0.1-2％。

4、本发明第二方面提供一种针状焦基纳米碳材料的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)将碱式碳酸锌和针状焦分散在溶剂中，在加热条件下进行混合，干燥、研磨得到前驱体混合物；

6、(2)在惰性气体的保护下，将所述前驱体混合物进行焙烧，得到初产物；

7、(3)将所述初产物进行酸洗。

8、本发明第三方面提供一种锂离子电容器负极材料，该负极材料包括活性物质、导电剂和粘合剂，所述活性物质为第一方面所述的针状焦基纳米碳材料或者为按照第二方面所述的制备方法制备得到的针状焦基纳米碳材料。

9、本发明第四方面提供一种锂离子电容器负极，所述负极包括集流体及复合在所述集流体上的负极材料，所述电极材料为第三方面所述的负极材料。

10、相对于常规的沥青基碳材料，针状焦的比表面积小，对针状焦刻蚀造孔是提升锂离子电容器负极比容量和倍率性能的一个有效手段，但是现有技术中得到的材料一般都表现出较高的比表面积，虽然高比表面积在一定程度上会提高材料的比容量，但是，在多孔、高比表面积的情况下，碳材料非常蓬松，使其振实密度小，造成体积能量密度低，不能满足锂离子电容器负极实际应用中小体积、轻量化的需要。

11、本发明提供的针状焦基纳米碳材料具有大孔、介孔和微孔组成的多级孔结构，所述纳米碳材料的总比表面积为3-50m2/g，以所述纳米碳材料的总比表面积为基准，介孔和大孔的总比表面积占比不低于50％，该针状焦基纳米碳材料具有较低的比表面积，有助于获得较高的振实密度，同时为离子的扩散和传输提供丰富的介孔和大孔结构，比容量高、倍率性能好，循环稳定性好，可以满足锂离子电容器的实际应用需求。

12、本发明提供的针状焦基纳米碳材料的制备方法，以针状焦和碱式碳酸锌为原料，通过高温焙烧使得针状焦产生适宜的孔结构，同时在一定程度上增加针状焦表面的氧含量，该制备方法不仅有效调控了针状焦的微观孔结构同时保证了较适宜的比表面积，有利于在保证振实密度的同时，提升比容量和倍率性能，而且原料成本相对较低，工艺路线简单，易于放大生产。

13、本发明提供的针状焦基纳米碳材料制得的锂离子电容器负极表现出非常优异的比容量和循环性能，电极比容量超过450mah/g，循环500圈后容量保持率超过95％。

技术特征：

1.一种针状焦基纳米碳材料，其特征在于，所述针状焦基纳米碳材料中包括多级孔结构，其中，所述针状焦基纳米碳材料的总比表面积为3-50m2/g，以所述针状焦基纳米碳材料的总比表面积为基准，介孔和大孔的总比表面积占比不低于50％；

2.根据权利要求1所述的针状焦基纳米碳材料，其中，以所述针状焦基纳米碳材料的总比表面积为基准，介孔和大孔的总比表面积占比为60-90％；

3.根据权利要求1或2所述的针状焦基纳米碳材料，其中，所述针状焦基纳米碳材料的平均孔径为3-10nm，优选为3-6nm；

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的针状焦基纳米碳材料，其中，由x射线光电子能谱测得所述针状焦基纳米碳材料表面，碳的摩尔百分含量为84-95％，氧的摩尔百分含量为7-13％，氮的摩尔百分含量为0.8-2％，硫的摩尔百分含量为0.1-0.5％。

5.一种针状焦基纳米碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述碱式碳酸锌和针状焦的质量比为0.5-5：1，优选为2-4：1；

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其中，所述针状焦的比表面积为1-5m2/g，优选为1-3m2/g；

8.根据权利要求5-7中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述焙烧的条件包括：焙烧温度为600-900℃，优选为650-800℃，时间为20-600min，优选为60-240min；

9.根据权利要求5-8中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(3)中，所述酸洗包括：提供含有所述初产物的水溶液，并与酸接触反应；

10.一种锂离子电容器负极材料，该负极材料包括活性物质、导电剂和粘合剂，其特征在于，所述活性物质为权利要求1-4中任意一项所述的针状焦基纳米碳材料或者为按照权利要求5-9中任意一项所述的制备方法制备得到的针状焦基纳米碳材料；

11.一种锂离子电容器负极，所述负极包括集流体及复合在所述集流体上的负极材料，其特征在于，所述电极材料为权利要求10所述的锂离子电容器负极材料。

技术总结
本发明涉及电化学储能技术领域，公开了一种针状焦基纳米碳材料及其制备方法、锂离子电容器负极材料和锂离子电容器负极，所述针状焦基纳米碳材料中包括多级孔结构，其中，所述针状焦基纳米碳材料的总比表面积为3‑50m<supgt;2</supgt;/g，以所述针状焦基纳米碳材料的总比表面积为基准，介孔和大孔的总比表面积占比不低于50％；由X射线光电子能谱测得所述针状焦基纳米碳材料表面，碳的摩尔百分含量为80‑95％，氧的摩尔百分含量为1‑15％，氮的摩尔百分含量为0.5‑2％，硫的摩尔百分含量为0.1‑2％。该材料具有较低的比表面积和丰富的介孔和大孔结构，比容量高、倍率性能好，循环稳定性好，可以满足锂离子电容器的实际应用需求。

技术研发人员：李欢,荣峻峰,杨宇翔,袁颜霞
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10