人们知道碳气凝胶存在的时间已经长达25年之久，它们首次由lawrencelivermore国家实验室[1]的美国科学家richardw.pekala等人获得。在大多数情况下，在间苯二酚和甲醛的缩聚反应中合成碳气凝胶，其中形成固化的热固性聚合物的间苯二酚和甲醛可在惰性气体气氛中进行碳化，得到碳材料。在存在氢氧根离子的情况下向间苯二酚中加入甲醛，形成2,4-二甲氧基-1,3-二羟基苯。形成的分子经历逐渐聚合，形成间苯二酚-甲醛(rf)低聚物。通过这些rf低聚物的缩合和生长形成溶胶，溶胶随后将其自身转化为凝胶，形成三维聚合物网络[2]。为了保持其多孔结构，在超临界条件下，(在先前的溶剂交换之后)最常使用co2[3,4]对获得的有机凝胶进行干燥。此外，文献[5,6]公开了在高温和大气压下进行凝胶干燥的经典方法。
目前，碳气凝胶的主要来源是间苯二酚-甲醛气凝胶[6-9]。然而，用于rf气凝胶合成的一部分间苯二酚可用甲酚代替[10]。有机气凝胶的可能前体还可包括：三聚氰胺、异氰酸酯、聚(氯乙烯)、苯酚和糠醛、以及2,3-二癸氧基蒽[11]。由天然聚合物制备气凝胶也是已知的[12-18]。
碳气凝胶的特殊性能：结构性能、热学性能、电学性能和其它性能使其具有一系列可能的应用[11]。可以基于carbogels获得的产品包括：催化剂载体、吸附剂、热绝缘体、用于有机塑料或合成橡胶的增强剂、用于油墨的颜料、储能单元、电极和电子材料、气体分离器、用于抗粘合剂的载体，和膜。
本发明的目的是获得电学性能改善的碳凝胶，其在用于制造锂电子电池的阳极材料中是特别需要的。获得具有高电导率(优选至少0.5s/cm)和非常好的电化学性能(优选在c/2放电电流下表现出相对于锂的容量至少为350mah/g)的碳凝胶是特别理想的。
此外，希望提供一种制备这种改进的碳凝胶的方法，该方法可以省去耗时的干燥步骤且不会产生需要处理的废物，因此这种方法更适合于工业应用。
令人惊讶的是，上文所述问题已在本发明中得到解决。
本发明涉及制备碳凝胶，特别是用于制备碳凝胶阳极材料的碳凝胶的方法，该方法包括直接热解有机醇凝胶，并且其特征在于：在50-90℃的温度下将含有1-30wt％的淀粉组合物的水悬浮液进行缩聚，其中所述淀粉组合物由75-100wt％的大米淀粉(rs)和0-25wt％的另一种淀粉类型(xs)所组成，然后使用浓度从10％增加到99.8％的醇(a)或酮(k)溶液进行溶剂交换，然后在300℃至2000℃的温度下对获得的有机醇凝胶进行热解处理。
优选地，使用含有乙醇、甲醇、异丙醇或丙酮的水溶液分几步进行溶剂交换，并逐渐将溶液浓度从10％增加至99.8％。
优选地，在惰性条件下进行热解，优选在惰性气体气氛中进行热解，最优选在氩气、氮气或氦气中进行热解。
优选地，在弱还原条件下进行热解。
优选地，在真空中进行热解。
在根据本发明的方法中，通过直接热解由天然来源的淀粉(大米淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、西米淀粉及其混合物)制备的有机醇凝胶来获得碳凝胶。通过相应淀粉组合物的悬浮液在水和溶剂交换中的缩聚反应获得有机醇凝胶，同时保持体系的空间结构。
令人惊讶的是，结果表明使用适当的淀粉组合物(即，由75-100wt％的大米淀粉和0-25wt％的另一种淀粉类型所组成的淀粉组合物，另一种淀粉类型为玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉或西米淀粉)能够获得化学稳定的碳凝胶，其具有特殊分层结构、质地和形态，高电导率(对于在至少600℃的温度下热解的材料，具有>0.5s/cm的电导率)，和非常好的电化学性质(在700℃的温度下热解的材料在c/2的放电电流下相对于锂具有至少350mah/g的容量)。
在根据本发明的方法中，按照1-30wt％的量将相应的淀粉组合物与水混合，以制备在50-90℃的高温下进行缩聚的悬浮液。将如此获得的水凝胶在室温下老化，然后进行溶剂交换以产生适当的分级空间结构，确保获得所需的碳凝胶的形态学特性。在300-2000℃的温度下对如此获得的淀粉醇凝胶直接进行受控的热解过程，温度取决于所需的碳凝胶参数。
根据本发明的方法能够省去昂贵且耗时的凝胶干燥处理，即通常在超临界条件下在高温下进行干燥处理，这使得能够在单步法中直接从淀粉醇凝胶中获得碳凝胶。
在含水介质中进行缩聚处理，并且含有醇或丙酮的溶液会再生，使该技术不会对环境造成危害且是环保的。
本发明的另一主题是一种碳凝胶，其在20℃的温度下具有至少0.5s/cm的电导率和在c/2放电电流下，相对于锂具有至少350mah/g的可逆电化学容量。
优选地，可以通过根据本发明的上述方法获得根据本发明的碳凝胶。
本发明的另一主题是使用根据本发明的上述碳凝胶来制备阳极材料，特别是用于制备锂电子电池的那些阳极材料。
根据本发明的碳凝胶由于其低粗糙度、玻璃态及缺少中孔的特性而从其它目前已知的碳材料中脱颖而出，转化为更高密度的三维(体积)填充，从而导致阳极材料的体积和重量容量增加。碳凝胶结构中的最小碳含量c为92wt％。这些碳凝胶材料中限定和可重复的微孔性的特性有助于形成sei(固体电解质界面)层，从而降低了锂离子嵌入系统的过程的活化能。此外，根据该方法制备的阳极材料表现出有序的分级层状结构，转化为良好的机械性能。图1示出了通过根据本发明的方法获得的根据本发明的碳凝胶的微观结构。
所公开的醇凝胶前体的组合物和所述的制备碳凝胶的方法能够获得一种具有锂离子电池的阳极材料所需性质的碳凝胶。此外，根据本发明的方法能够根据其应用的要求(影响材料表面的发展、石墨化程度、其电导和电化学参数的可能性)使所得材料官能化。根据本发明的方法能够省去昂贵且耗时的干燥处理，特别是在超临界条件下进行的干燥处理。
根据本发明的方法可用于获得锂电子电池所需的阳极材料。在传统的锂离子电池中，基于不可再生资源(化石煤)的碳材料(相对于锂的容量为200-350mah/g)被用作阳极材料。另一方面，根据本发明的碳凝胶阳极材料的特征在于改进的电池操作参数(更高的容量，在更高的电流负载下更好的性能，增强电解质的化学稳定性)，以及碳凝胶阳材料在商业锂电池中的应用不需要改变电池制造技术，这使得本发明实施起来特别容易且实施成本更低。而且，根据本发明的碳凝胶可用作锂离子电池和其它能量储存和加工系统中的电极材料的导电添加剂，以及催化剂载体或催化剂。
在下面描述的实施例中更详细地呈现了本发明。
实施例1
为了从马铃薯淀粉中获得5g碳凝胶，称取25g马铃薯淀粉(sigmaaldrich)。其中淀粉和蒸馏水的比例分别为10wt％和90wt％，以制备250g马铃薯淀粉悬浮液，然后将悬浮液置于水浴中并加热至75℃。在淀粉缩聚的30分钟后，将所得产物从水浴中取出并老化24个小时。然后将96％乙醇(poch)溶液倒在样本上，然后将样本静置一天一夜，并使其完全密封。6天后，重复溶剂交换。在下一个6天后，在更换最后一次醇溶液之后，在700℃的温度和氩气氛(99.999％)下将所得的醇凝胶热解6小时。
所得的碳凝胶的特征在于，在25℃的温度下电导率为0.83s/cm，电导活化能为ea＝0.007ev。电化学测试表明，所得的材料的特征在于，在c/2的电流负载下进行40个循环后，材料的重量容量达到136mah/g。
实施例2
为了从大米淀粉中获得5g碳凝胶，称取25g大米淀粉(sigmaaldrich)。其中淀粉和蒸馏水的比例分别为10wt％和90wt％，以制备250g大米淀粉悬浮液，然后将悬浮液置于水浴中并加热至75℃。在淀粉缩聚的30分钟后，将所得产物从水浴中取出并老化24个小时。然后将96％乙醇(poch)溶液倒在样本上，然后将样本静置一天一夜，并使其完全密封。6天后，重复溶剂交换。在下一个6天后，在更换最后一次醇溶液之后，在700℃的温度和氩气氛(99.999％)下将所得的醇凝胶热解6小时。
所得的碳凝胶的特征在于，在25℃的温度下电导率为0.46s/cm，电导活化能为ea＝0.017ev。电化学测试表明，所得的材料的特征在于重量容量很高，在c/2的电流负载下进行40个循环后，重量容量达到315mah/g。
实施例3
为了从玉米淀粉中获得5g碳凝胶，称取25g玉米淀粉(sigmaaldrich)。其中淀粉和蒸馏水的比例分别为15wt％和85wt％，以制备167g玉米淀粉悬浮液，然后将悬浮液置于水浴中并加热至75℃。在淀粉缩聚的30分钟后，将所得产物从水浴中取出并老化24个小时。然后将96％乙醇(poch)溶液倒在样本上，然后将样本静置一天一夜，并使其完全密封。6天后，重复溶剂交换。在下一个6天后，在更换最后一次醇溶液之后，在700℃的温度和氩气氛(99.999％)下将所得的醇凝胶热解6小时。
所得的碳凝胶的特征在于，在25℃的温度下电导率为0.75s/cm，电导活化能为ea＝0.037ev。电化学测试表明，所得的材料的特征在于，在电流负载下进行40个循环后，材料的重量容量达到171mah/g。
实施例4
为了从大米和玉米淀粉中获得5g碳凝胶，称取22.5g大米淀粉和2.5g玉米淀粉(sigmaaldrich)，并将这两种淀粉混合在一起。其中淀粉混合物和蒸馏水的比例分别为10wt％和90wt％，以制备250g混合的淀粉悬浮液，然后将悬浮液置于水浴中并加热至75℃。在淀粉缩聚的30分钟后，将所得产物从水浴中取出并老化24个小时。然后将96％乙醇(poch)溶液倒在样本上，然后将样本静置一天一夜，并使其完全密封。6天后，重复溶剂交换。在下一个6天后，在更换最后一次醇溶液之后，在700℃的温度和氩气氛(99.999％)下将所得的醇凝胶热解6小时。
所得的碳凝胶的特征在于，在25℃的温度下电导率为0.51s/cm，电导活化能为ea＝0.015ev。电化学测试表明，所得的材料的特征在于，重量容量很高，在c/2的电流负载下进行40个循环后，重量容量达到353mah/g。
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