[发明专利]用于超级电容器的、基于蒸汽活化的非木质纤维素的碳

说明书

交叉参考

本申请根据35U.S.C.§120要求2011年7月19日提交的美国申请系列13/185842的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

背景

本发明涉及碳基电极，具体来说，涉及蒸汽活化的碳，以及制备用于制造所述电极的蒸汽活化的碳的相关方法。本发明还涉及包括碳基电极的高功率密度储能装置。

超级电容器也称为双电层电容器，通过极化电解质溶液来静电储能。虽然它是电化学装置，但在储能机理中一般不涉及化学反应。该机理是可逆的，这允许超级电容器多次充电和放电。

超级电容器通常包括2多孔电极，它们相互之间通过多孔介电隔膜分开，没有电接触。用电解质溶液浸渍隔膜和电极，这允许离子电流在电极之间流动，但阻止对电池放电的电流流动。每一电极通常与集电器电接触。可包括一片或块导电材料（如铝）的集电器可以减少欧姆损失，同时为多孔电极材料提供物理支撑。

在单个超级电容器电池中，且在施加电压的影响下，因为正极电极对负离子的吸引和负极电极妒忌阳离子的吸引，有离子电流流动。离子电荷可在每一电极的表面聚集，以在固液界面创建电荷层。通过固体电极中相反的电荷，将聚集的电荷固定在各个界面上，从而产生电极电势。一般的，该电势与存在于电极中或电极上的电荷种类（离子和自由基）的数量成线性增加。

在该电池的放电中，当阴离子从正极电极的表面流出且阳离子从负极电极的表面流出时，跨电极的电势使离子电流流动。同时，电流可流经位于所述集电器之间的外部电路。该外部电路可用来为电学装置提供动力。

电解质作为离子导电率的促进剂、作为离子来源且可作为碳的粘合剂。电解质通常包括溶于合适溶解的盐。合适的电解质包括季铵盐，比如在共同拥有的美国专利13/011,066所述的那些，该文的全部内容以参考的方式并入本文中。一种示例季铵盐是四乙基四氟硼酸铵((Et)₄NBF₄)。一种示例溶剂是乙腈。

超级电容器之类的储能装置可以用于许多需要离散的功率脉冲的用途。示例性应用的范围包括从手机到混合动力汽车。超级电容器的一个重要特性是它能够提供的能量密度。已表明该装置的能量密度很大程度上由碳基电极的性质决定。

适合用来结合入高能量密度装置的碳基电极是已知的。例如，作为所述电极的基础的高性能碳材料可以通过活化合成酚醛树脂前体来制备。但是，因为该化学活化剂和该合成树脂的成本相对较高，这种活性碳材料和所得碳基电极的成本也是高的。此外，化学活化剂可能给所得活性炭带来不想要的杂质。因此，人们希望提供更经济的、制备活性碳材料的方法，所述活性碳材料可用于形成碳基电极，该碳基电极使得能够得到具有更高能量密度的装置。

概述

根据一种实施方式，适合于结合入用于超级电容器和其他高功率密度的储能器件的碳基电极中的活性碳材料，源自蒸汽活化天然的非木质纤维素材料。通过使用非木质纤维素材料作为活性碳材料的前体，可以廉价地获得大功率的高能量密度装置。与化学活化的碳材料相比，本发明所述的蒸汽活化的碳可提供多达50％的成本降低。

可通过下述来制备活性炭：在有效碳化温度下加热非木质纤维素碳前体以形成碳材料，以及在有效活化温度下使该碳材料与蒸汽反应以形成活性碳。

在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，目的是提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。

附图简要说明

图1是用于形成蒸汽活化的碳的示例性设备；

图2是根据一种实施方式的活性碳材料的孔径分布矩形图；

图3是根据另一种实施方式的活性碳材料的孔径分布矩形图；以及

图4是根据又一种实施方式的活性碳材料的孔径分布矩形图。

发明详述

用于制备活性碳材料的方法，其包括在有效碳化温度下加热非木质纤维素碳前体以形成碳材料，以及在有效活化温度下使该碳材料与蒸汽反应以形成活性碳材料。