[发明专利]一种高比能量超级电容器碳质电极材料的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种新型碳材料的制备方法。属于一种高比能量、高比功率超级电容器用碳质电极材料的制备方法。

背景技术：

超级电容器以其充放电速度快、循环寿命长、能量密度高和无污染等优异特性而成为新能源领域的研究热点，其在混合动力汽车、太阳能、风能等方面的应用预期将会对节约能源、城市环境控制产生根本性影响。电极材料是超级电容器的核心。目前研究较多的电极材料是基于双电层理论的超级活性炭、炭气凝胶、纳米碳管等炭质多孔材料。虽然理论上双电层电容正比于材料的有效比表面积，但有效比表面积的提高必须综合考虑材料的孔结构、表面化学性质、电阻率及密度等对电极性能的制约，因而比电容C存在极限值(～200F/g，单电极，有机系)。而且，受限于材料的制备过程，其表面结构的耐电压U也仅为2.7V。近期，研究者通过对炭质多孔电极材料的孔结构、表面化学性质及导电网络进行定向控制，相应比电容可达180F/g，但提升空间已非常有限，致使所制电容器的能量密度E(E∝C·U²)最高仅为10Wh/kg。因此，更高能量密度、比功率炭质电极材料的制备极为重要。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种超级电容器用碳质电极材料的制备方法。该方法工艺简单，所制碳质电极材料的堆密度、电导率、比电容、耐电压均较高。

本发明是通过下述方案实现的：

一种高比能量超级电容器碳质电极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将粒径为10～500μm的富碳前躯体(C含量＞60％)颗粒置于炭化炉中，在惰性气氛下以2～10℃/min的升温速率升温至400～900℃并恒温0.5～5h，进行预炭化处理；

(2)将步骤(1)得到的产物进行球磨，使其粒径达到4～30μm；

(3)将步骤(2)得到的物质与KOH(纯度90％以上)按质量比1∶3～1∶6进行混合、浸渍，其中每10～1000ml的KOH中含1g富碳前驱体；

(4)将步骤(3)所得混合物置于KOH活化釜中，以2～10℃/min的升温速率先后升温至100～250℃、300～500℃、700～1000℃，并均恒温0.5～3h；自然冷却，水洗至中性，干燥后得到所需的碳质电极材料。

其中，所述的碳质前躯体为石油焦、沥青焦、椰壳、杏壳、果壳、木质或竹类原料中的一种。

上述技术方案的优选方案如下：

在上述方案的步骤(4)中，混合物置于KOH活化釜中之前，先在混合物中加入富碳前躯体质量5～20wt％的金属盐，

所述的金属盐为Fe、Ni、Co、Mg的盐类物质中的一种。

还可以将上述方案步骤(4)所得物质置于炭化釜中，在H₂气氛下，以2～10℃/min的升温速率升温至500～900℃进行表面化学处理0.5～3h，得到所需的碳质电极材料。

有益效果

本发明的优点在于：根据新的非双电层电容机制的储电机理，采用预炭化或预炭化与催化化学协同活化联用技术抑或预炭化、催化化学协同活化及H₂表面处理联用技术，制得比表面积虽较低，但其堆密度、电导率、比电容、耐电压以及质量能量密度、体积能量密度、比功率均高于现有超级电容器用碳质电极材料。且工艺简单，性价比高。采用本发明的方法所制得的高比能量超级电容器碳质电极材料，为类石墨微晶结构的新型碳质电极材料，其比电容最高可达180F/g(单电极)、耐电压为最高可达3.5V，富含孔径1.5～3nm的离子扩散通道。

具体实施方式

【对比例】

将300μm粒径的石油焦粉末与质量浓度90％以上的KOH溶液进行浸渍24小时，其中石油焦与KOH的重量比为1∶4。在氮气保护下，以5℃/min的升温速度先升温至100℃低温物理脱水1h，然后以相同升温速度升至400℃化学脱水1.5h，再继续升温至800℃后活化2h，自然冷却至30℃，然后水洗至中性，干燥后，制得超高比表面积的活性炭，其BET比表面积为2573m²/g，孔径集中分布在0.5～2.5nm。当以四乙基胺四氟化硼为电解液时，该电极材料的比电容为157F/g，耐电压为2.5V。

【实施例一】