[发明专利]一种超级电容器专用电容碳的制备方法

说明书

本发明公开了一种超级电容器专用电容碳的制备方法，涉及碳材料、纳米多孔材料领域，本发明包括如下步骤：碳晶提取；炭化；活化；除灰；干燥；磨粉。本发明选用的植物碳晶原料易得、含碳量高，并可再生，且价格便宜，炭化时易分解成大量的CO2、CO、CH4、H2气体，有利于孔隙结构的形成；且活性基团加热时有利于缩聚成高分子的电容碳，炭化后电容碳得率高；这样的炭化产物非常适合于超级电容器专用电容碳的制备，采用浸渍吸附40～50％浓度的KOH溶液，避免了KOH与碳料物理掺混的弊端，节约了KOH用量；KOH直接与活化炉内壁接触，防止腐蚀炉内壁；KOH只能与碳料表面接触，无法深入到碳料内部的碳基质反应造孔，从而提高了产品质量，简化了工艺过程，降低了生产成本。

技术领域

本发明涉及新型碳材料、纳米多孔材料技术领域，尤其涉及一种超级电容器专用电容碳的制备方法。

背景技术

超级电容器具有高能量密度、高功率密度、循环寿命长、稳定性好、高低温耐受力强以及可快速充放电等优势，成为储能器件的研究热点。电容碳作为超级电容器常用的电极材料，原因是电容碳稳定性较好、比表面积大而且价格合适。电容碳本身的孔隙大小、孔的形状和结构及内部孔道的表面性质和超级电容器电化学性能之间都有着密切的联系，并不是电容碳中所有的孔隙都能形成双电层，因此，制备适合作为超级电容器电极材料使用的电容碳首先要对电容碳的孔隙大小和分布等进行调控。电容碳常用煤炭、生物质(木材、椰壳、秸秆等)为原料，经过炭化和活化制备而成。物理活化和化学活化法是电容碳制备最常用的两种方法。物理活化是以水蒸气、二氧化碳、烟道气或空气为活化剂进行高温处理的过程；化学活化是以KOH、NaOH、ZnCl等化学药品为活化剂，在适当的温度下进行活化的过程。与物理活化法相比，化学活化法制备的电容碳具有更丰富的微孔结构。合适的活化方法和制备工艺是调控电容碳孔隙的关键。以物理活化法制备的电容碳孔径分布较宽，调控以中微孔(10nm)为主的电容碳困难，作为超级电容器碳材料电化学容量较小(0-80F/g)。化学活化法常使用活化剂和炭料以物理掺混的方式进行活化，虽然可以制备出中微孔丰富、比表面积大的电容碳，但活化剂使用量大(活化剂和炭料质量比一般大于1:1)，成本昂贵(90％工业级KOH价格约8500元/吨)，并且活化剂利用率较低，对设备具有很大的腐蚀性。

经检索，中国专利号为201310536256.X的发明专利，公开了“电容碳制备方法”，其以原料炭、KOH、活化助剂按照1:1～7:0.001～0.1的重量比混合后在600～850℃下活化，然后用水洗涤、盐酸洗涤，再用水洗涤到pH达到6～7，得到电容碳产品比表面积大于2000m²/g。该专利采用的是物理掺混KOH活化制备电容碳，KOH使用量为原料炭的1到7倍。

文献《RSC Advances》“Facile synthesis of high-surface-area activatedcarbon from coal for supercapacitors and high CO2 sorption.”，以KOH与煤粉为4:1的比例物理掺混进行活化制备电容碳，电容碳比表面积达到2457m²/g，总孔容为1.448mL/g，微孔率96.22％，以0.2V/s的扫速测得三电极体系电容碳为电极材料的比电容为279F/g。虽然制备的电容碳比表面积、总孔容和微孔率均较高，做电极材料的比电容也较高，但KOH使用量为煤粉的4倍，成本很高，并且KOH有极强的碱性和腐蚀性，大量使用对设备腐蚀性强，大幅度降低设备的使用寿命。

文献《物理化学学报》“Effect of the activated carbon reactivation on itselectrochemical capacitance.”，采用KOH作为活化剂，在850℃下对电容碳进行二次活化并水洗至pH值为7，二次活化后的电容碳组装成超级电容器，测得电化学容量达到145.0F/g，电容碳比表面积为1587m²/g，孔径主要集中在2-6nm之间，说明电容碳孔径以中孔为主，但电化学容量并不高。