[發(fā)明專利]一種用于超級電容器的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710074618.2
• 申請日: 2007-05-29
• 公開（公告）號: CN101071685A
• 公開（公告）日: 2007-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉秦
• 申請（專利權(quán)）人: 王國華;郭金川
• 主分類號: H01G9/04
• 分類號: H01G9/04;H01M4/04;H01M14/00;C01B31/08
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及儲能材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，介紹了一種用于超級電容器的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法。

背景技術(shù)

超級電容器(supercapacitor)又稱電化學(xué)電容器，是一種新型儲能裝置，它具有比普通電容器更高的比能量和比電池更高的比功率。可廣泛應(yīng)用于各種交通工具的啟動和核反應(yīng)堆的控制、航天通信設(shè)施、無線通訊系統(tǒng)及許多軍用設(shè)施等的備用電源，其軍用、民用的前景十分看好。活性炭材料由于比表面積高、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬、表面惰性等特點(diǎn)，一直是超級電容器的首選材料。

電極材料是決定超級電容器性能的關(guān)鍵因素之一，普通的高比表面積活性炭并不能直接用于超級電容器，這是由于在超級電容器中，只有孔隙尺寸大于溶劑分子和電解質(zhì)離子的孔隙才會對比電容量有貢獻(xiàn)，也就是說，電解質(zhì)離子只有在大于2nm的孔隙表面才能形成有效雙電層儲能。所以，為確保超級電容器獲得高能量密度，要求活性碳材料兼具高比表面積與較高的中孔結(jié)構(gòu)(2～50nm)。

目前制備中孔碳的方法很多，通常有模版法、催化活化法、超臨界干燥法等等，但采用模版法制備中孔碳，必須要先制備硅或高分子模版，工藝冗長，工程化困難；而采用催化活化法，盡管工藝簡單，但金屬雜質(zhì)離子不易脫除，在作為超級電容器電極材料時，容易在高電位循環(huán)時放電，增大超級電容器器件的漏電流。而采用超臨界干燥制備中孔碳凝膠技術(shù)，同樣由于超臨界干燥設(shè)備一次性投資大，設(shè)備維護(hù)困難，產(chǎn)能低，不宜用于超級電容器碳電極材料的規(guī)模化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種用于超級電容器的中孔碳材料的制備方法。該方法利用氣體氧化劑，對普通活性碳的微孔進(jìn)行二次擴(kuò)孔，不依賴任何模板或催化劑，且制備方法簡便，產(chǎn)率較高。

本發(fā)明的工藝步驟為：將普通高微孔含量的活性碳至于活化爐中，先通入N₂，緩慢升溫至400-800℃，再通入氣相氧化劑，氣相氧化劑包括氧氣、空氣、氯氣中的至少一種。控制氣相氧化劑與N₂的含量，當(dāng)采用空氣或氧氣作為氧化劑時，純氧含量在5％-20％之間。氧含量太低時，擴(kuò)孔效果不明顯，超過20％，活性炭會燃燒，當(dāng)采用氯氣作為氧化劑時，氯氣含量在10％-30％之間，氯氣含量太高時，生成大孔，比表面積急劇降低，擴(kuò)孔活化時間一般在5-100小時，采取多次短時間的擴(kuò)孔效果比單次延長活化時間效果好。活化完全后，爐冷，取出活性炭材料，采用蒸餾水清洗至中性，烘干后備用。

利用本發(fā)明制備出的聚苯胺納米纖維材料做超級電容器電極，在1mol/L硫酸水溶液中具有比電容值高(大于300F/g)且循環(huán)性能好的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為所制備的高中孔含量活性炭材料的N₂吸附等溫線圖；

圖2為所制備的高中孔含量活性炭材料的充放電曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面依據(jù)上述方案，結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容和技術(shù)特點(diǎn)，但本發(fā)明并非僅僅限于所述的實(shí)施例。

實(shí)施例1：將100g普通水凈化用活性炭材料置于瓷坩堝中，緩慢通入N₂并在600℃保溫2小時，再通入O₂，控制PN₂/PO₂＝10∶1，保溫時間5小時，緩慢冷卻，取出活性炭后采用二次水洗滌，擴(kuò)孔后活性炭的吸附等溫線如圖1所示。利用其制成電極在1mol/L硫酸水溶液中的充放電曲線如圖2所示。

實(shí)施例2：將100g普通水凈化用活性炭材料置于瓷坩堝中，緩慢通入N₂并在600℃保溫2小時，再通入Cl₂，控制PN₂/PCl₂＝8∶1，保溫時間4小時，緩慢冷卻，取出活性炭后采用二次水洗滌。其性能結(jié)果如附表1所示。

實(shí)施例3：其他條件與實(shí)施例1相同，不同之處在于PN₂/PO₂＝5∶1，其性能結(jié)果如附表1所示。

實(shí)施例4：其他條件與實(shí)施例2相同，不同之處在于PN₂/PCl₂＝5∶1其性能結(jié)果如附表1所示。

實(shí)施例5：其他條件與實(shí)施例1相同，不同之處在于保溫時間為1小時，且將該過程復(fù)5次。其性能結(jié)果如附表1所示。

表1不同處理?xiàng)l件下制備的活性炭性能

??編號???比表面積???(m²·g^-1)????孔容????(cm³·g^-1)????中孔孔容????(cm³·g^-1)????中孔率????(％)????比電容量????(F·g^-1)??普通活性炭???524????0.53????0.041????7.5????41.1??實(shí)施例1???1728????1.059????0.392????37????277??實(shí)施例2???2031????1.231????0.505????41????305??實(shí)施例3???1924????1.211????0.388????32????251??實(shí)施例4???1765????1.034????0.403????39????278??實(shí)施例5???2321????1.670????0.785????47????327