一种碳材料及其制备方法、用于制备碳材料的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于制备碳材料的装置，该装置为具有一容纳空间的容器，所述容器的顶部为开口并设有可拆卸的盖子，所述容器及盖子的材料均为高密度石墨。本发明专利技术还提供一种利用所述装置制备碳材料的方法，其包括以下步骤：(1)提供碳材料原料；(2)将所述碳材料原料置于所述容器内，并将装有碳材料原料的容器于1000摄氏度～3800摄氏度进行高温石墨化处理，得到碳材料。本发明专利技术还提供一种碳材料。

【技术实现步骤摘要】
一种碳材料及其制备方法、用于制备碳材料的装置
本专利技术涉及碳材料，尤其涉及一种用于制备碳材料的装置、碳材料及其制备方法。
技术介绍
碳材料如石墨烯和碳纳米管的性能优异，在手机触摸屏、导电材料等有广泛的应用。石墨烯被认为是高性能的动力电池用导电剂的关键材料之一。现有的碳纳米管的制备方法一般为CVD气相沉积法、电弧法等。然而，该方法所制造出的碳纳米管均有缺陷。现有的石墨烯的制备方法为化学氧化还原法、机械剥离法、CVD气相沉积法等。然而，该些方法所制造出的石墨烯均有缺陷。比如，采用化学氧化还原法，虽然石墨烯的厚度较小，单层率高，但是在氧化过程对石墨烯会造成了较大破坏，产生空洞以及引入其他官能团、大量的硫元素、以及铁钴镍锰等金属杂质，而大大影响石墨烯的电导率，导致后续应用于电池时有损电池的性能。采用机械剥离法，虽然石墨烯的电导率高，但是存在石墨烯的厚度较厚、层数较多的缺点，而该方法最大问题是：所采用的原料为鳞片石墨、可膨胀石墨或者膨胀蠕虫石墨，在通过液相或者气相等方法进行物理机械剥离时，该原料的内部带有大量的硫元素，以及残留的铁钴镍锰钾钙等杂质，杂质的含量大大超标，因而会损害电池的性能。采用CVD气相沉积法，虽然得到的石墨烯具有单层或者双层的厚度较薄的特点，电导率极高，但是由于需利用带有大量的金属镍等的基底，该基底需进行溶解剥离，导致石墨烯的产量极低，无法用作大规模的成吨级别的应用。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种可用于大规模制备导电性能优异的碳材料的装置、制备方法、以及导电性能优异的碳材料。本专利技术提供一种用于制备碳材料的装置，该装置为具有一容纳空间的容器，所述容器的顶部为开口并设有可拆卸的盖子，所述容器及盖子的材料均为高密度石墨。优选的，所述容器的内壁设有至少一第一通孔以及与第一通孔配合且可拆卸的第一封孔件，所述第一封孔件的材料为高密度石墨；所述盖子设有至少一第二通孔以及与第二通孔配合且可拆卸的第二封孔件，所述第二封孔件的材料为高密度石墨。优选的，所述高密度石墨为将石墨原料经过高温以及高压处理得到的石墨，所述高密度石墨的密度为大于等于1.85g/cm3。优选的，将所述石墨原料经过高温具体是指将石墨原料在2500摄氏度～3000摄氏度的温度下并被施加1个大气压～3.6个大气压的压力处理。本专利技术还提供一种利用上述装置制备碳材料的方法，其包括以下步骤：(1)提供碳材料原料；(2)将所述碳材料原料置于所述容器内，并将装有碳材料原料的容器于1000摄氏度～3800摄氏度进行高温石墨化处理，得到碳材料。优选的，步骤(2)中所述高温石墨化处理的时间为10小时～1000小时。优选的，步骤(1)中所述碳材料原料为碳纳米管原料或者石墨原料。优选的，在步骤(2)之前还包括一对石墨原料进行氧化及还原的步骤，具体为：将石墨原料进行氧化，得到氧化石墨，再将氧化石墨置于一匣钵中并在惰性气氛中于1000摄氏度～1100摄氏度下进行还原，其中所述匣钵的材料为高密度石墨。优选的，所述匣钵包括匣钵主体和匣盖，所述匣钵主体的顶部为开口，所述匣盖盖于匣钵主体的顶部，其中，所述匣钵主体包括外匣壁体以及外匣壁体形成的外空腔，所述外匣壁体设有一缺口，使得外空腔与外界相连通；所述匣钵主体中还设有一内匣，所述内匣包括内匣壁体以及内匣壁体形成的内空腔，所述内匣的顶部为开口，所述内空腔与外空腔相连通；所述匣盖包括匣盖顶和匣盖壁体，所述匣盖壁体置于所述匣钵主体的外空腔内，所述匣盖壁体的高度小于所述外匣壁体的高度。本专利技术还提供一种采用上述方法制备得到的碳材料，所述碳材料的电导率为3×104～1×106S/m，所述碳材料的结构中基本无缺陷。与现有技术相比较，所述用于制备碳材料的装置的材料为高密度石墨，因而具有耐高温的优点。特别是当使用该装置来对碳材料原料进行高温石墨化时，由于该装置与反应原料均为碳元素，因此不存在容器污染的问题。并且由于装置可耐高温，因而在高温石墨化的过程中容器稳定，使用寿命较长。所述第一通孔的作用在于，使得装置的内部与外界连通，在制备碳材料的过程中，可将原料中产生的杂质气体排放至外界。当然，该第一通孔的设置为一种优选的方式。第一通孔也可不设置，即通过所述容器的内壁与盖子之间的微隙即可实现杂质气体的排放。该装置的结构简单，制备该装置的方法简单，原料易得、价格低廉，适合大规模的产业化应用。在使用时，将碳材料原料放入该装置中，然后进行高温石墨化得到碳材料。相对于现有方法中所使用的制备容器或基底而言，由于该装置的材料为高密度石墨，因而避免引入其他额外的杂质，同时该装置作为制备空间场所，可很好的将密度较小的粉末状碳材料原料容纳并相对集中，可大批量的生产碳材料。该碳材料的制备方法的原理为：利用热使无序排列的碳原子进行重排以及结构转变形成有序排列的碳结构，并对碳材料原料中的原有结构缺陷进行有效修复。所述碳材料原料可为石墨原料以及碳纳米管原料。当碳材料原料为石墨原料时，在高温石墨化过程中还可使得石墨原料中层状石墨的层数降低而得到层数较少的石墨烯，在该过程中，层数较多的石墨会在高温石墨化过程中生成的杂质气体形成的气流的带动下而多次撞击装置的内壁而最终获得层数较少的石墨烯。现有的高温石墨化的过程中，由于粉状的碳材料原料质轻、易飞扬而难以进行高温石墨化形成基本无结构缺陷的碳材料，而本申请将石墨原料置于所述高密度石墨材料制成的容器中，通过将该容器置于高温环境下，可对石墨原料进行高温石墨化得到碳材料。该制备方法投入原料及收集产品极其方便，可实现大规模的制备，在实际应用中，可实现百吨级别的制备。并且，在该制备过程中，无需加入其它原料，因此不会引入其它杂质；因未使用基底等，也无需剥离。该整个制备过程步骤简单，制备效率高。通过该制备方法得到的碳材料具有以下优点：对碳材料原料仅通过高温石墨化处理即可得到基本无结构缺陷的碳材料。所述碳材料基本无缺陷、厚度较薄、金属杂质含量极低，并且具有高电导率。该得到的碳材料可应用于导电浆料，而进一步用于制备电池。附图说明图1为本专利技术所述用于制备碳材料的装置的结构示意图。图2及图3为图1所述装置在不同状态的剖面图。图4为本专利技术所述匣钵的结构示意图。图5为图4所述匣钵的分解示意图。图6为图4所述匣钵的匣钵主体的结构示意图。图7为图4所述匣钵的匣盖的结构示意图。图8为本专利技术实施例(1)得到的石墨烯粉末的透射电镜(TEM)照片。图9为本专利技术实施例(2)得到的石墨烯粉末的TEM照片。图10为对比例(1)得到的石墨烯粉末的TEM照片。图11为本专利技术实施例(1)得到的石墨烯粉末的拉曼光谱图。图12为本专利技术实施例(2)得到的石墨烯粉末的拉曼光谱图。图13为对比例(1)得到的石墨烯粉末的拉曼光谱图。图14为本专利技术实施例(1)得到的石墨烯粉末的X射线衍射(XRD)图。图15为本专利技术实施例(2)得到的石墨烯粉末的XRD图。图16为对比例(1)得到的石墨烯粉末的XRD图。图17为实施例(3)得到的高纯碳纳米管的扫描电镜照片。图18为实施例(3)得到的高纯碳纳米管的TEM照片。其中，1表示容器，2表示第一通孔，3表示第一封孔件，4表示盖子，4a表示第二通孔，4b表示第二封孔件，10表示匣盖，10a表示匣盖顶，10a1表示顶板；10a2表示第一凹部，10a3表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备碳材料的装置，其特征在于，该装置为具有一容纳空间的容器，所述容器的顶部为开口并设有可拆卸的盖子，所述容器及盖子的材料均为高密度石墨。

【技术特征摘要】
1.一种用于制备碳材料的装置，其特征在于，该装置为具有一容纳空间的容器，所述容器的顶部为开口并设有可拆卸的盖子，所述容器及盖子的材料均为高密度石墨。2.如权利要求1所述的用于制备碳材料的装置，其特征在于，所述容器的内壁设有至少一第一通孔以及与第一通孔配合且可拆卸的第一封孔件，所述第一封孔件的材料为高密度石墨；所述盖子设有至少一第二通孔以及与第二通孔配合且可拆卸的第二封孔件，所述第二封孔件的材料为高密度石墨。3.如权利要求1所述的用于制备碳材料的装置，其特征在于，所述高密度石墨为将石墨原料经过高温处理得到的石墨，所述高密度石墨的密度为大于等于1.85g/cm3。4.如权利要求3所述的用于制备碳材料的装置，其特征在于，将所述石墨原料经过高温处理具体是指将石墨原料在2400摄氏度～3000摄氏度的温度下并被施加1个大气压～3.6个大气压的压力处理。5.一种利用如权利要求1至4任一项所述装置制备碳材料的方法，其包括以下步骤：(1)提供碳材料原料；(2)将所述碳材料原料置于所述容器内，并将装有碳材料原料的容器于1000摄氏度～3800摄氏度进行高温石墨化处理，得到碳材料。6.如权利要求5所述的利用上述装置制备碳材料的方法，其特征在于，步骤(1)中所述碳材料原...

【专利技术属性】
技术研发人员：安军伟，
申请(专利权)人：乌兰察布市大盛石墨新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15