[发明专利]一种超级电容活性炭及三步法物理活化制备方法

说明书

本发明公开了一种超级电容活性炭及三步法物理活化制备方法。该方法利用椰壳炭化料为原料，通过预活化、活化造孔、孔径调节修饰三步法制备活性炭。本发明制备的活性炭粉末具有高达0.8～1.0cm³/g的孔容量，孔体积占比达到40～60％，主要孔径分布峰值在1～2nm范围，孔径分布为0～2nm范围的微孔占比达55～65％，微孔的分布均匀、致密，比表面积达到1600～1900m²/g。本发明的方法新颖简单，可用于物理活化法制备超级电容器电极材料用活性炭，成本低廉，产率较高，使高性能活性炭绿色环保制备方法成为可能，并可用于工业化连续大规模生产。相较于目前市售高性能超级电容器电极材料用活性炭同类产品，本技术产品性能关键指标全面超过目前市售高性能产品，处于国内、国际先进水平。

技术领域

本发明属于活性炭材料制备领域，特别涉及制备超级电容器电极材料活性炭，更具体地说，涉及一种超级电容器电极材料活性炭微孔结构的三步法物理活化制备方法。

背景技术

超级电容器(supercapacitors，SCs)，是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能装置。超级电容器以其优异的充放电寿命、高功率密度、环境友好等特点，得到更为广泛的应用与研究。其中，超级电容器常见的应用领域包括：消费电子、后备电源、可再生能源发电系统、轨道交通、军事装备、航空航天等领域。其中双电层超级电容器的应用最为广泛：双电层超级电容器通常在可再生能源领域的应用主要包括：风力发电变桨控制，提高风力发电稳定性、连续性，光伏发电的储能装置以及与太能电池结合应用制路灯、交通指示灯等；在重工领域可以应用叉车、起重机、电梯、港口起重机械、各种后备电源、电网电力存储等方面；轨道交通领域，双电层超级电容器的应用主要包括有轨电车、地铁制动装置以及重型运输车等。

实际上，电极材料是超级电容器的核心，超级电容器的突破很大程度在于电极材料。而活性炭(AC)又以其价廉易得、工作温度范围宽、比表面积大、孔隙结构发达、孔径分布窄、酸、碱化学稳定性高、对环境友好等优点而被广泛应用于制备电极材料。可见，活性炭技术的突破是相关超级电容器突破的关键。

作为超级电容器电极材料使用的活性炭，要求非常高，其一个最重要指标是具有发达的微孔，大的比表面积，以及合适的孔结构，依此才可利用电解质，并通过在大量的微孔表面形成双电层，从而获得具有优异充、放电特性的超级电容器。所以，在制备活性炭时保证具有大量的且均匀、致密分布的微孔，控制具有联通的孔结构以及合适的孔径配比，是能否成功获得作为高性能超级电容器电极材料使用的，具有巨大的比表面积，从而可提高电容容量的活性炭的关键。

然而，目前的活性炭造孔技术中根据活化造孔机理的不同主要有两种：一种是物理活化方法，另一种是化学活化方法。一般情况下，利用化学法可以获得性能较高的活性炭，但是，由于化学法使用的活化剂通常是KOH、H₃PO₄、ZnCl₂和K₂CO₃等，而最终产品中都必须将其清除干净，这需要反复洗涤，工艺较为复杂，因而利用这种方法制备时需要消耗大量的人力和财力去脱除所使用的活化剂，而且质量和稳定性不一定得到保证；更为关键的是这类活化剂污染也相对较大，对环境不利；同时化学活化法所需的活化温度通常较高，为700-1000℃，耗能较大，不利于节约能源。而利用物理活化法通常使用H₂O蒸汽和CO₂等气体作为活化剂，相较于化学活化法的活化剂更为绿色环保，制备的活性炭微孔较为发达，且免于清洗，工艺简单；物理活化法尽管通常在(800-1000℃)的较高温度下进行，不过由于普通物理活化法一般直接利用在造孔过程中自然生成的水煤气作为燃料，因而大大节约了能源。

不过，这种方法制备活性炭，是基于水蒸汽与碳之间发生反应进行造孔的，如下所示：

C+H₂O→H₂+CO△H＝123.l kJ/mol (1)