一種多通道高導電多孔碳材料、制備方法及其應用與流程

本發明涉及多孔碳基復合材料制備，尤其涉及一種多通道高導電多孔碳材料、制備方法及其應用。

背景技術：

1、硅碳負極材料因其高比容量在鋰離子動力電池市場中的滲透率逐年攀升，具有廣闊的應用前景。硅烷沉積法是目前制備硅碳負極材料主流工藝之一，簡而言之，以多孔碳為基底吸附硅烷等含硅氣體，通過在基底孔隙中高溫裂解形成非晶硅顆粒，以此來減緩硅顆粒的膨脹，因此多孔碳的性質將直接影響含硅氣體的沉積效果及硅碳成品的性能。樹脂基多孔碳原料可控、孔徑可調、結構穩定，是目前較為理想的多孔碳基底，但部分性能仍需提高，如有效的比表面積、導電性等。

2、碳納米管作為新型的一維碳材料，擁有獨特的中空管狀結構，具有高導電性、大比表面積和優異的力學性能，同時由于量子限域效應，電子可沿碳納米管徑向快速遷移，因此常和其他材料復合以提高電化學性能。

3、中國專利cn104828804b通過滴定法結合分層油浴固化制備碳納米管-炭球形復合材料，所得的多孔碳尺寸均一可控，具有豐富的孔結構、高比表面積等特點，從而使得復合材料具有更好的吸附性能。但碳納米管本身易出現纏繞團聚的現象，通過物理混合直接在高分子溶液中直接添加碳納米管存在分散不均、結合不牢的問題。

4、中國專利申請cn?110148760a采用一步固相熱解法制備多孔碳-碳納米管復合材料，碳納米管均勻分散在多孔碳表面，極大地改善多孔碳材料的導電性能，表現出優異的電催化活性。但碳納米管的生長不易控制(長度、直徑等)，附著在碳材料表面難以提升多孔碳內部離子固相傳質過程。

5、中國專利申請cn105006375a通過將羧基化的碳納米管和酚醛樹脂結合，避免碳納米管自身纏繞團聚的同時增強兩者的結合能力，并進一步利用氮、磷元素摻雜來提升電子傳導能力，從而提高超級電容器的比電容和循環穩定性。但以酚醛樹脂包裹碳納米管，煅燒后形貌不易控制，僅通過三聚氰胺和磷化劑自內向外活化造孔所形成孔洞有限，所得的多孔碳復合材料為介孔結構，比表面積相對較小。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供碳納米管分散性好，導電性更高，比表面積大的多通道高導電多孔碳材料；本發明還有一個目的在于提供多通道高導電多孔碳材料的制備方法。

2、本發明公開的一種多通道高導電多孔碳材料，包括以下步驟：

3、s1：將碳納米管酸化處理得到羧基化碳納米管，經乳化處理得到短羧基化碳納米管，再與氮化劑混合均勻，水洗至中性，得到功能化碳納米管混合液a；

4、s2：將酚類單體、醛類單體與堿性溶液混合，縮聚成酚醛樹脂低聚物，再與所述功能化碳納米管混合液a混合，攪拌均勻，得到功能化碳納米管-酚醛樹脂前驅體混合液b；

5、s3：將所述功能化碳納米管-酚醛樹脂前驅體混合液b干燥獲得多孔碳干粉c；

6、s4：將所述多孔碳干粉c升溫至800-1200℃，通入二氧化碳活化，降溫后獲得多通道高導電多孔碳材料。

7、進一步的，酸化處理用的酸液為濃硫酸和濃硝酸的混合物；處理方法：1g碳納米管中添加100-300ml酸液；酸液濃度為80-99％；處理時間為10-60min。

8、碳納米管酸化時切斷碳納米管末端的碳鏈并引入羧基(-cooh)或羥基(-oh)等含氧官能團到碳納米管的表面，從而提高了碳納米管的分散性和表面活性，有利于結合氮化劑。

9、進一步的，所述步驟s1中，均質乳化處理的過程為在5000-13000rpm的轉速下，處理10-60min。

10、羧基化碳納米管經均質乳化處理后打斷為短羧基化碳納米管，并提高了羧基化碳納米管的分散性，從而解決碳納米管纏繞團聚的問題。

11、進一步的，所述步驟s1中，短羧基化碳納米管的管徑為1-10nm，長度為0.5-2μm。

12、進一步的，所述步驟s1中，所述氮化劑的添加的質量與所述碳納米管的質量為1-2:1；所述氮化劑選自三聚氰胺、雙氰胺、尿素、硫脲中的一種或多種。

13、氮化劑在后續的高溫加熱過程中一方面對碳材料進行摻雜，另一方面對碳材料進行造孔。

14、進一步的，所述步驟s2中，所述酚醛類單體加入的質量與所述醛類單體加入的質量比為1:1-2；所述酚類單體選自苯酚、對苯二酚、鄰苯二酚、間苯二酚中的一種或多種；所述醛類單體選自甲醛、三聚甲醛、多聚甲醛、乙醛、丙醛中的一種。

15、進一步的，堿性溶液選自naoh的水溶液、koh的水溶液、na2co3的水溶液、nahco3的水溶液、氨水中的一種；反應溫度為30-80℃，攪拌時間為1-5h。

16、進一步的，堿性溶液選自naoh的水溶液、koh的水溶液、na2co3的水溶液、nahco3的水溶液；水溶液濃度為25-40wt％。

17、進一步的，所述步驟s2中，加入的所述功能化碳納米管混合液a的體積占總混合液的體積5-15％。

18、進一步的，所述步驟s3中，所述干燥的操作為霧化干燥；霧化干燥的進口溫度為110-150℃，進料速度為0.2?-0.5l/h；所述球狀多孔碳干粉c的d50為6-12μm。

19、通過霧化干燥的方法來調控多孔碳的球形結構，以提升其振實密度和壓實密度。

20、進一步的，通過加入純水，將霧化干燥前功能化碳納米管-酚醛樹脂前驅體混合液的固含量調整為5-30％。

21、將功能化碳納米管-酚醛樹脂前驅體混合液的固含量控制在此范圍內，防止混合液過于黏稠，影響噴霧效果。

22、進一步的，所述步驟s4中，采用cvd回轉爐對球狀多孔碳干粉c進行加熱；cvd回轉爐轉速為0.2-1.5r/min。

23、進一步的，所述步驟s4中，采用兩段式升溫的方式；第一段升溫為室溫升溫至300-600℃，保溫1-2h；第二段升溫為升溫至800-1200℃，保溫1-10h；在第二段升溫結束時通入co2氣體，co2氣體的流量為0.2-2l/min。

24、在第一段升溫保溫過程中多通道高導電多孔碳材料內部的揮發份充分溢出，第二段升溫保溫過程再利用二氧化碳進行造孔，造孔效率更高。

25、進一步的，所述步驟s4中，將所述多通道高導電多孔碳材料的過篩；篩網目數為200-350目。

26、本發明還提供一種多通道高導電多孔碳材料，采用如上文所述的制備方法制備獲得；具有1700m2/g以上的比表面積；電阻率小于0.45ω·cm。

27、本發明還提供一種多通道高導電多孔碳材料的應用，將如上文所述的多通道高導電球形多孔碳應用于制備鋰離子電池。

28、本發明提供的多通道高導電多孔碳材料的制備方法，首先對碳納米管進行功能化處理，提升其分散性能；再加入至酚醛樹脂聚合反應液中，與酚醛樹脂低聚物混合均勻；高溫處理時結合的氮化劑裂解，自內向外造孔，造孔和摻雜同時進行，異原子氮摻雜進一步加速電子傳遞，提高材料的導電性；co2活化自外向內進行擴孔，雙向造孔，提高材料的孔隙率，并縮短造孔時間；以微孔為主的孔結構，孔隙更致密；碳納米管的引入增強多孔碳機械強度的同時在多孔碳內部形成縱橫交錯的各向通道，加速電子傳遞，提高導電性。