本發(fā)明屬于炭材料的制備，更具體的說是涉及一種瀝青基炭材料的制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、瀝青和生物質(zhì)是電極材料制備過程中常用原料。由于瀝青中含有大量多環(huán)芳烴和多核芳烴結(jié)構(gòu)單元，石墨化程度高，不易造孔，活性位點少。生物質(zhì)前驅(qū)體含有分層多孔結(jié)構(gòu)和豐富的雜原子，活性位點多，但表現(xiàn)出較低的導(dǎo)電性。且生物質(zhì)的添加可以解決瀝青在炭化過程中的膨脹問題，通過將瀝青與生物質(zhì)混合共炭化可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

2、常見的瀝青和生物質(zhì)相互配合制備電極材料通常需要特殊的模板劑，以提高電極材料的比表面積和孔隙率，從而改善電極材料的電化學(xué)性能，提高電極材料的充放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性。另外，為了避免電極材料在充放電過程中出現(xiàn)體積變形、結(jié)構(gòu)垮塌的現(xiàn)象，需要增加支撐材料（如mxene）以緩解結(jié)構(gòu)垮塌，提高電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。上述常見電極材料的制備過程需要依賴特殊的模板劑和外加支撐材料，制備工藝復(fù)雜，限制其在高功率儲能領(lǐng)域的發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種瀝青基炭材料的制備方法與應(yīng)用，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，實現(xiàn)工藝流程簡易、結(jié)果高度可重復(fù)、操作便捷且非常適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的瀝青基炭材料的制備。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、本發(fā)明技術(shù)方案之一：提供一種瀝青基炭材料的制備方法，包括如下步驟：

4、對生物質(zhì)進行低溫熱處理，得到預(yù)處理生物質(zhì)；將瀝青、預(yù)處理生物質(zhì)和活化劑混合后活化處理，得到瀝青基炭材料。

5、本發(fā)明摒棄了對特殊模板劑的依賴，采用了一種工藝流程簡易、結(jié)果高度可重復(fù)、操作便捷且非常適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的方法。本發(fā)明通過兩步法，即先將生物質(zhì)進行低溫熱處理后，再與瀝青混合共炭化制備得到瀝青基炭材料；通過低溫熱處理后的生物質(zhì)含有的揮發(fā)分和焦油較少，并且在低溫熱處理過程中形成了一定的焦體結(jié)構(gòu)，在之后與瀝青混合時減少了熔融膠質(zhì)體向瀝青骨架中的流入，與此同時，共炭化過程中熔融瀝青可以向經(jīng)低溫熱處理的生物質(zhì)的炭骨架中流入，進而對生物質(zhì)的碳骨架起到了一定的支撐作用，使其不易塌陷，解決了常規(guī)電極材料的結(jié)構(gòu)支撐需要依賴于外加支撐材料（如mxene）的限制問題；并且生物質(zhì)的添加可以解決瀝青在炭化過程中的膨脹問題，提高了所得電極材料的穩(wěn)定性，進一步提高超級電容器的循環(huán)穩(wěn)定性；

6、本發(fā)明通過低溫熱處理生物質(zhì)，增加預(yù)處理生物質(zhì)中碳含量，且低溫熱處理過程中釋放生物質(zhì)中大量的揮發(fā)物，使得炭材料產(chǎn)生初始孔隙結(jié)構(gòu)，將其與瀝青共炭化制備得到了具有多孔結(jié)構(gòu)、大的比表面積、高孔隙率等優(yōu)點的電極材料，解決了常規(guī)炭材料的孔隙結(jié)構(gòu)搭配不當導(dǎo)致離子運輸通道的堵塞問題，提升了電解質(zhì)離子的傳輸效率，對炭材料的電化學(xué)性能提升具有重大意義。

7、可選地，所述生物質(zhì)包括毛豆、棉花、針葉、西瓜皮、堅果殼、海藻和椰殼中的一種或多種；本發(fā)明對生物質(zhì)的種類沒有特殊限定，只要是電極材料制備中所用的生物質(zhì)均可。

8、優(yōu)選地，所述低溫熱處理在惰性氣氛中進行，低溫熱處理的溫度為250~550℃，低溫熱處理的時間為20~100min；所述惰性氣氛包括但不限于氮氣。

9、本發(fā)明通過控制低溫熱處理的溫度和時間，可保證瀝青基炭材料合適的孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)；超過該溫度和時間的上限會引起孔隙結(jié)構(gòu)的變形、致密，與瀝青交融性下降；低于該溫度和時間的下限會孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育不完全、揮發(fā)分殘留較多。

10、可選地，所述瀝青為煤瀝青；所述活化劑包括氫氧化鉀。

11、優(yōu)選地，所述預(yù)處理生物質(zhì)和瀝青的質(zhì)量比為1:1~4；所述預(yù)處理生物質(zhì)和瀝青的總質(zhì)量和活化劑的質(zhì)量比為1:3~5。

12、本發(fā)明通過控制瀝青和預(yù)處理生物質(zhì)的質(zhì)量比，可以制備比表面積以及孔隙結(jié)構(gòu)相對豐富的炭材料；高于該用量范圍會使得最終炭材料的表面官能團含量以及孔隙結(jié)構(gòu)較差，從而影響電極材料的電化學(xué)性能；低于該用量范圍會使得最終炭材料受生物質(zhì)添加比例的增多導(dǎo)致其與活化劑的反應(yīng)活性增強，進而導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)缺陷嚴重，從而增強電荷在傳輸過程中的轉(zhuǎn)移電阻。

13、優(yōu)選地，所述預(yù)處理生物質(zhì)的粒徑為60~200目。

14、優(yōu)選地，所述混合的時間為120~160min；所述活化處理在氮氣氛圍下進行，利用活化劑氫氧化鉀活化，活化處理的溫度為700~1000℃，活化處理的升溫速率為5~8℃/min，活化處理的保溫時間為60~120min。

15、優(yōu)選地，所述活化處理后還包括將所得產(chǎn)物洗滌至中性的步驟。

16、本發(fā)明技術(shù)方案之二：提供一種根據(jù)上述的制備方法制備得到的瀝青基炭材料。

17、本發(fā)明技術(shù)方案之三：提供一種上述的瀝青基炭材料在制備超級電容器中的應(yīng)用。

18、本發(fā)明技術(shù)方案之四：提供一種超級電容器，所述超級電容器的電極材料為上述的瀝青基炭材料。

19、本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

20、（1）本發(fā)明摒棄了對特殊模板劑的依賴，采用了一種工藝流程簡易、結(jié)果高度可重復(fù)、操作便捷且非常適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的方法。這一方法所制備的瀝青基炭材料展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，特別適用于超級電容器的電極材料制造，能夠顯著提升超級電容器的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性，為高功率儲能領(lǐng)域帶來了革新性突破；

21、（2）本發(fā)明通過兩步法，即生物質(zhì)低溫熱處理（預(yù)炭化）和與瀝青混合后的活化（共炭化、活化）步驟，成功制備出孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、孔隙率高、比表面積大、活性位點多、富含多種官能團的瀝青基炭材料，作為超級電容器的電極材料時，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，并且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率性能；

22、（3）本發(fā)明具有原料來源豐富、方法簡單、制備成本低、資源友好、便于實用化等優(yōu)點。

技術(shù)特征：

1.一種瀝青基炭材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述生物質(zhì)包括毛豆、棉花、針葉、西瓜皮、堅果殼、海藻和椰殼中的一種或多種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述低溫熱處理在惰性氣氛中進行，低溫熱處理的溫度為250~550℃，低溫熱處理的時間為20~100min。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述瀝青為煤瀝青；和/或，所述活化劑包括氫氧化鉀；和/或，所述預(yù)處理生物質(zhì)和瀝青的質(zhì)量比為1:1~4；和/或，所述預(yù)處理生物質(zhì)和瀝青的總質(zhì)量和活化劑的質(zhì)量比為1:3~5。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述預(yù)處理生物質(zhì)的粒徑為60~200目。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述混合的時間為120~160min；和/或，所述活化處理在氮氣氣氛中進行，活化處理的溫度為700~1000℃，活化處理的升溫速率為5~8℃/min，活化處理的保溫時間為60~120min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述活化處理后還包括將所得產(chǎn)物洗滌至中性的步驟。

8.一種根據(jù)權(quán)利要求1~7任一項所述的制備方法制備得到的瀝青基炭材料。

9.一種根據(jù)權(quán)利要求8所述的瀝青基炭材料在制備超級電容器中的應(yīng)用。

10.一種超級電容器，其特征在于，所述超級電容器的電極材料為權(quán)利要求8所述的瀝青基炭材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種瀝青基炭材料的制備方法與應(yīng)用，屬于炭材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。所述瀝青基炭材料的制備包括如下步驟：對生物質(zhì)進行低溫熱處理，得到預(yù)處理生物質(zhì)；將瀝青、預(yù)處理生物質(zhì)和活化劑混合后活化處理，得到瀝青基炭材料。本發(fā)明摒棄了對特殊模板劑的依賴，采用了一種工藝流程簡易、結(jié)果高度可重復(fù)、操作便捷且非常適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的方法。這一方法所制備的瀝青基炭材料材料展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，特別適用于超級電容器的電極材料制造，能夠顯著提升超級電容器的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性，為高功率儲能領(lǐng)域帶來了革新性突破。

技術(shù)研發(fā)人員：閆倫靖,薛丹,呂淼琳,王美君,常麗萍,廖俊杰,王建成,鮑衛(wèi)仁
受保護的技術(shù)使用者：太原理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15