[发明专利]一种高比表活性炭、超级电容电极及其制备方法

说明书

本发明公开一种高比表活性炭及其制备方法和用途，以及提供了一种超级电容电极及其制备方法，高比表活性炭，以烟叶为碳源，利用K₂CO₃一步法活化得到，所述活性炭的比表面积为1800～2300m²/g，微孔孔径大于超微孔，总孔容为1～1.4cm³·g^‑1；在所述高比表活性炭中添加导电剂和粘结剂制作而成。本发明以废弃烟叶为碳源，使用K₂CO₃一步法活化法成功地制备了多孔碳。方法活化条件温和，反应过程易控制，大大减少了能耗和设备腐蚀。制备的多孔碳具有丰富的三维孔道结构，比表面积高。电化学测试中，制备的多孔碳表现出较高的比电容、高能量密度和良好的循环稳定性。本发明将废弃烟叶转化为一种新的生产活性炭的资源，可以应用于高性能超级电容器。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种活性炭和该活性炭的制备方法及用途，本发明还涉及一种超级电容电极，该电极材料包括所述活性炭。

背景技术

近年来，伴随着全球经济的快速发展、全球人口的增长，煤炭、石油等不可再生化石燃料资源日益短缺，这给现代社会的可持续发展带来了严重的危机。因此，开发和高效利用清洁和可持续能源：例如太阳能、风能等，是解决上述挑战的最有希望的解决办法。但这些能源的高效利用往往都需要先进的储能系统。

超级电容器作为一种新型储能器件，因其循环寿命长(10万次)、充放电效率高、功率密度高及其良好的低温特性受到科学家和工程师的极大关注。

根据其储能机制不同，超级电容器可以分为两类：双电层超级电容器(EDLCs)和赝电容超级电容器(Pseudocapacitors)。对于前者，电荷是通过离子在活性材料近表面的静电相互作用吸附而储存的；而赝电容的能量储存/释放机制是通过还原反应、离子插入/挤压和潜在沉积来实现的。与赝电容超级电容器相比，虽然EDLCs能量密度偏低，但其稳定性好，循环效率和充放电倍率更高。在组成超级电容的部件中，电极材料决定着电容器的主要性能参数，占超级电容总成本的30％以上。

根据EDLCs的储电原理，高比表面积和优异的导电性会显著提高电容器的电容量。

碳基材料因为其成本低，来源广泛，具有高比表面积、低电阻、良好的极性和可控孔径大小等优点，具有更可持续的未来。

生物质材料可再生、来源广泛且价格低廉，是制备多孔碳材料的首选碳源。截至目前，大量的由动植物衍生而来的生物质材料被研究用作制备活性炭的碳源，例如稻壳，椰壳，柳絮等。碳材料中微孔的存在可以显著增加特定表面积，在增强特定电容方面起着关键作用。

然而，具有复杂孔隙结构的微孔对碳材料的电化学性能没多大益处。研究表明，超微孔 (0.70纳米)可能通过低电流密度的离子溶解而导致相对较高的特定电容，但这些孔隙无法以高放电率进入，导致比表面积有效利用率低，电化学性能不甚理想。

因此，有必要进一步研究探索新的生物质材料作为碳源，开发具有高比表面积、合理孔径分布的多孔碳材料，以更好满足超级电容器的应用需求。这是本发明的目的之一。

我国是世界上最大的烟叶生产国，每年烟草生产会产生大量烟草废弃物。若对烟草废料进行“资源化”利用，不仅可以使这部分废物变为宝贵的资源，而且能提高烟农的经济收入，促进我国“两烟”产业的健康发展，也符合国家固体废弃物“资源化”的方针。现有技术中，出现了使用水热法将烟草制备成前驱体，然后通过KOH活化，用作超级电容器的电极材料，取得了较好的性能，但整个制备时间较长，且KOH活化剂对设备腐蚀性较强。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

1、现有的电极材料用碳源，比表面积较低，孔径分布不够合理，超级电容器的应用需求没有得到满足；

2、现有超级电容器的电极材料电容量还有待进一步提高。