[发明专利]一种用松针基活性炭材料制备超级电容器电极材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，特别涉及一种超级电容器电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器又称电化学电容器，科学家们为了寻找新能源从而迅速发展起 来的新型电能储存元件。超级电容器是一种介于传统电容器的迅速充放电与蓄 电池的大容量之间的一种全新型储能器件。具有充放电速率快、循环寿命长、 功率密度高、环保低污染、易维护等优点，有效地弥补普通的静电电容器和蓄 电池储存特性的缺点，近年来，超级电容器在电子通讯、航空航天、军事国防 以及新能源汽车等领域展现了前所未有的应用前景。关于超级电容器的理论研 究和实际应用已取得了很大进展，但是能量密度低、成本高的缺点迄待解决。 而影响超级电容器性能的关键因素在于电极材料的选用，因而研究低成本的、 高能量密度的电极材料迫在眉睫。

目前，超级电容器的电极材料大体分为三类：碳材料、导电聚合物、过渡 金属氧化物。碳材料由于其良好的化学惰性、高导热性、高导电性、成本低廉， 使得碳材料在能源领域得到广泛关注。制备碳材料的原料广泛，其中以生物质 为前驱体的碳材料具有碳材料基本的物理化学性质，同时其表面富含大量 -COOH和-OH等含氧官能团，提供额外的赝电容，因而成为碳材料重要来源。

生物碳材料制备过程一般分为炭化和活化。炭化是在高温和惰性气体保护 下，生物质通过热解和缩聚反应形成多孔性的炭结构体(影响因素包括温度、 原料的粒度、保温时间和升温速度等)。活化目的使碳材料的孔结构更丰富，进 而有利于其在电极材料中的应用。活化方法分为物理活化和化学活化。

中国地大物博，资源丰富，是世界上裸子植物种类最丰富的国家之一，松 树在中国分布广泛，易于种植。在中国广袤的山林原野中，松科树种随处可见。 与松脂采集不同，松针的采集属于非破坏性采集，对松树的生长无任何影响， 可变废为宝。对其化学成分进行分析鉴定，结果表明：新鲜松针中有65种组分， 其主要成分是烷烃、烯酸、烯酮、甾醇类；而干枯松针的组分有44种，其主要 成分是烷酸、酮类、酯类以及甾醇类物质，其中甾醇类物质的含量比较高。干 枯松针中的组分存在形式相对比较稳定。如能将这些可再生的松枝充分利用， 其经济效益和社会效益必定不容小觑。目前国内外尚无利用松枝制备超级电容 器用的活性碳材料的相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种价格低廉，能量密度高，合成工艺简单的用松针 基活性炭材料制备超级电容器电极材料的方法。本发明主要是以生物质松枝为 碳源，经预处理的松枝经高温碳化制备生物质碳，然后进行活化处理，酸处理， 最后制得活性炭电极材料(AC-PN)。

本发明的技术方案包括以下步骤。

(1)松针预处理：将采集的松针用无水乙醇、去离子水分别洗涤3次，之 后放入真空冷冻干燥机中在真空度4.0Pa，-103℃的条件下冻干处理24h，取出 待用。

(2)制备松针生物碳(C-PN)：将步骤(1)的松针置于石英舟中放入管式 电阻炉中，在气氛保护下，以5℃/min的升温速率，升温至600～900℃，此温 度下恒温碳化1～3小时，待其冷却至室温，取出碳化产物，分别用无水乙醇、 去离子水洗涤3～5次，最后将碳化产物置于烘箱中60～80℃，干燥10h，即得 松针生物碳(C-PN)。

所述气氛保护所用气体为高纯氮气、高纯氩气或者氩气和氢气混合气，其 中氢气体积含量为30％～60％。

(3)化学活化松针生物炭(AC-PN)：将步骤(2)的松针生物碳和活化剂 按质量百分比1:0.5～4混合均匀，置于箱式气氛炉中，在气体保护下，以5℃/min 的升温速率，升温至500～900℃，在此温度下恒温碳化0.5～2小时，待其冷却 至室温，取出活化产物。

所述活化剂为分析纯氢氧化钾、碳酸钾或者氯化锌材料中的一种或几种(比 例随意)；所述气氛保护所用气体为高纯氮气、高纯氩气或者氩气和氢气混合气， 其中氢气体积含量为30％～60％。

(4)活化产物酸处理：将步骤(3)的活化产物置于浓酸浸泡3～10h，之 后超声处理0.5～2小时，超声功率为60W，稀释上述混合物到300mL，用无水 乙醇、去离子水洗涤多次至中性，最后将产物置于烘箱中60～80℃，干燥10h， 制得超级电容器电极材料(AC-PN)。