具有纳米基元团聚体结构的碳材料及其制备方法和应用与流程

本发明特别涉及一种具有纳米基元团聚体结构的碳材料及其制备方法和应用，属于碳材料。

背景技术：

1、为保证燃料电池中电极材料间良好的传质及电子传输效果，通常引入高团聚体结构、高导电的纳米碳材料，如导电炭黑、碳纳米管等材料，形成高分散、高孔隙率的导电网络，降低反应物质及电子传导阻力，展现良好的电池性能。而现有的高团聚体结构碳材料在溶液中存在难分散、制备浆料碳浓度低的问题，导致电极材料的制备和使用成本高。即使通过高能分散来调配浆料，也会导致后续涂覆面粗糙度高，接触电阻大，导致电池器件性能不能完全发挥。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种具有纳米基元团聚体结构的碳材料及其制备方法和应用，从而克服现有高团聚体结构碳材料存在难分散、制备浆料碳浓度低等不足之处。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明一方面提供了一种具有纳米基元团聚体结构的碳材料，其特征在于，所述碳材料的团聚度k满足如下特征：

4、3≤k≤30，k＝[吸油值(ml/100g)/介孔孔容(cm3/g)]/100，其中，所述吸油值是采用国标gb/t 3780.2-2017《炭黑第2部分：吸油值的测定》的方法，以邻苯二甲酸二丁酯作为指示剂，测定每百克碳材料完全润湿时吸附邻苯二甲酸二丁酯的体积，所述介孔孔容是采用通过国标gb/t 19587-2017《气体吸附bet法测定固态物质比表面积》中的氮气吸脱附测试方法，以氮气分子作为探针，采用bjh模型和凯尔文方程rk＝-0.414/log(p/p0)，计算单位质量碳材料中2-50nm的介孔孔隙在吸附状态下饱和吸附的氮气体积作为材料的介孔孔容。

5、进一步的，所述碳材料的团聚度k满足如下特征：3≤k≤30。

6、进一步的，所述碳材料的介孔孔容、吸油值至少满足如下特征中的至少一者：

7、0.05cm3/g≤介孔孔容≤1.0cm3/g，80ml/100g≤吸油值≤650ml/100g。

8、进一步的，所述碳材料的吸油值满足如下特征：

9、100ml/100g≤吸油值≤400ml/100g。

10、进一步的，所述碳材料的粉体电导率≥7s/cm@8mpa。

11、进一步的，所述碳材料的粉体电导率≥10s/cm@8mpa。

12、进一步的，所述碳材料的比表面积满足如下特征：

13、30m2/g≤比表面积≤1000m2/g。

14、进一步的，所述碳材料的比表面积满足如下特征：

15、40m2/g≤比表面积≤800m2/g。

16、进一步的，所述碳材料包括炭黑和/或碳纳米管材料。

17、本发明另一方面还提供了一种提高具有团聚体结构的碳材料在液相分散体系中的分散能力的方法，包括：

18、将具有第一团聚体结构的第一碳材料与同质的磨体材料混合，使所述第一碳材料与所述磨体材料发生对冲，且使所述第一碳材料与所述磨体材料对冲时产生的最大剪切力大于所述团聚体结构中聚集体之间的结合力而小于聚集体中基元碳颗粒之间的结合力，至少所述第一碳材料的部分大孔被破坏，从而获得具有第二团聚体结构的第二碳材料，所述第二碳材料的团聚度k满足如下特征：

19、3≤k≤30，k＝[吸油值(ml/100g)/介孔孔容(cm3/g)]/100，其中，所述吸油值是采用国标gb/t 3780.2-2017《炭黑第2部分：吸油值的测定》的方法，以邻苯二甲酸二丁酯作为指示剂，测定每百克碳材料完全润湿时吸附邻苯二甲酸二丁酯的体积，所述介孔孔容是采用通过国标gb/t 19587-2017《气体吸附bet法测定固态物质比表面积》中的氮气吸脱附测试方法，以氮气分子作为探针，采用bjh模型和凯尔文方程rk＝-0.414/log(p/p0)，计算单位质量碳材料中2-50nm的介孔孔隙在吸附状态下饱和吸附的氮气体积作为材料的介孔孔容。

20、可以理解的，本发明中的第二碳材料可以理解为所述具有纳米基元团聚体结构的碳材料。

21、进一步的，所述磨体材料的堆积密度大于所述第一碳材料的堆积密度。

22、进一步的，所述磨体材料的堆积密度与所述第一碳材料的堆积密度的差值为1.4-3.4g/cm3。

23、进一步的，所述第一碳材料的堆积密度为0.05-0.2g/cm3。

24、进一步的，所述磨体材料的堆积密度为1.5-3.6g/cm3。

25、进一步的，所述第一碳材料与所述磨体材料的质量比为(80-99)：(1-20)。

26、进一步的，所述磨体材料的材质包括石墨、硬碳、碳纤维材料中的至少一者。

27、进一步的，所述磨体材料的d50粒度为20μm-100μm。

28、进一步的，所述第一碳材料和所述第二碳材料的材质为多孔碳材料。

29、进一步的，所述多孔碳材料包括炭黑、碳纳米管材料中的至少一者。

30、进一步的，所述第一碳材料至少满足如下特征：介孔孔容≥0.05cm3/g，吸油值(dbp)≥150ml/100g。

31、进一步的，所述第一碳材料的吸油值≥200ml/100g。

32、进一步的，所述第一碳材料的粉体电导率≥7s/cm@8mpa。

33、进一步的，所述第一碳材料的粉体电导率≥10s/cm@8mpa。

34、进一步的，所述第二碳材料的团聚度k满足如下特征：3≤k≤30。

35、进一步的，所述第二碳材料的介孔孔容、吸油值至少满足如下特征中的至少一者：

36、0.05cm3/g≤介孔孔容≤1.0cm3/g，80ml/100g≤吸油值≤650ml/100g。

37、进一步的，所述第二碳材料的吸油值满足如下特征：

38、100ml/100g≤吸油值≤400ml/100g。

39、进一步的，所述第二碳材料的粉体电导率≥7s/cm@8mpa。

40、进一步的，所述第二碳材料的粉体电导率≥10s/cm@8mpa。

41、进一步的，所述第二碳材料的比表面积满足如下特征：

42、30m2/g≤比表面积≤1000m2/g。

43、进一步的，所述第二碳材料的比表面积满足如下特征：

44、40m2/g≤比表面积≤800m2/g。

45、进一步的，所述第一碳材料和所述第二碳材料包括炭黑和/或碳纳米管材料。

46、本发明另一方面还提供了一种电极浆料的制备方法，包括：

47、将所述的具有纳米基元团聚体结构的碳材料或者由所述的方法获得的第二碳材料与液相分散体系混合，从而形成电极浆料。

48、进一步的，所述电极浆料中所述碳材料或所述第二碳材料的浓度为3％-18％。

49、进一步的，所述液相分散体系包括醇系或水系分散体系。

50、进一步的，所述液相分散体系包括分散介质、粘结剂和分散剂，所述液相分散体系中分散介质的含量为所述碳材料或所述第二碳材料的质量的0.3％-5％。

51、进一步的，所述分散介质包括曲拉通、纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯基树脂、聚丙烯酸基树脂、聚氨酯基、聚硅基树脂分散剂中的一种或两种以上的组合，但不限于此。

52、进一步的，所述粘结剂为含氟基高分子材料的粘结剂。

53、进一步的，所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟磺酸基树脂、乙烯-四氟乙烯共聚物、四氟乙烯一六氟丙烯共聚物、四氟乙烯一六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物中的一种或两种以上的组合，但不限于此。

54、进一步的，所述分散剂包括乙醇、异丙醇、正丙醇、水中的一种或两种以上的组合，但不限于此。

55、本发明另一方面还提供了一种电极浆料，所述电极浆料是采用所述的电极浆料的制备方法形成的。

56、本发明另一方面还提供了一种电极，所述电极是由所述的电极浆料制备形成的。

57、本发明另一方面还提供了一种能量转换装置，所述能量转换装置的电极为前述的电极。

58、进一步的，所述能量转换装置包括燃料电池等。

59、与现有技术相比，本发明的优点包括：

60、1)本发明提供的一种高分散、高电导的具有纳米基元团聚体结构的碳材料，便于调制高碳浓度浆料，提高了高导电粉体电极浆料的可涂覆性，相对低团聚体结构的碳材料在醇系、水系等溶剂中颗粒粒度小，易于分散成均匀的浆料；

61、2)本发明通过特定的工艺处理，调控碳材料的团聚性结构，这种变化可以通过碳材料吸油值的变化得到反映，浆料的碳浓度随碳材料结构性的降低而增加，本发明获得的具有低团聚度结构的碳材料能够制备更高碳浓度的浆料，减少了溶剂的使用量，降低了浆料涂覆制备极片的难度；以及，碳材料团聚体结构下降的同时仍具有高的导电特性和适当的传质孔特性，由此获得的电极材料的可涂覆性好、电子传输性能优异；

62、3)本发明获得的复合结构碳材料是具有高分散、同时还具有高导电特性的纳米基元团聚体结构的碳材料，本发明提供的碳材料可以获得高分散性、高碳浓度的电极碳材料浆料。高分散性的电极碳材料浆料可以改善涂覆质量，获得平整度更高的涂覆表面，降低电极之间的接触电阻；高碳浓度的浆料可降低涂覆的湿膜厚度、降低涂覆难度，从而降低了器件的制造成本。