[發(fā)明專利]無定形活性碳材料及其生產(chǎn)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310484819.5
• 申請日: 2013-10-16
• 公開（公告）號: CN103771412A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: K·P·加德卡里;劉佳
• 申請（專利權(quán)）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號: C01B31/12
• 分類號: C01B31/12;H01G11/32
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 項丹

相關(guān)申請交叉參考

本申請根據(jù)35U.S.C.§120，要求2012年10月18日提交的美國申請系列第13/654,779號的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請為基礎(chǔ)并將其全文通過引用結(jié)合于此。

技術(shù)背景

領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于形成無定形活性碳的方法，在某些實施方式中，涉及含此類無定形活性碳的碳基電極。本發(fā)明還涉及包括碳基電極的高能量密度儲能裝置。

技術(shù)背景

電能儲存可用于許多應(yīng)用，例如電動車/混合動力車、便攜式電子器件和其他能源系統(tǒng)。各種類型的電池已經(jīng)被用于許多電能儲存應(yīng)用。電化學(xué)雙層電容器（EDLC），也被稱為超級電容器或超電容器，已經(jīng)被用作電池的替代品，特別是在需要高功率和長循環(huán)壽命的應(yīng)用中。EDLC中能量的儲存是通過將電化學(xué)雙電層中的電荷分離并儲存在固體表面和電介質(zhì)之間的界面上來實現(xiàn)的。活性碳材料，有時也稱作活性碳或者納米多孔碳，是EDLC中最廣泛使用的材料，這是由于它們較大的表面積、良好的導(dǎo)電率和離子導(dǎo)電率、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性以及低成本。因此，需要一種具有改善的電化學(xué)性質(zhì)的活性碳材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的概念通?？蛇m用于無定形活性碳材料。根據(jù)一個實施方式，用于生產(chǎn)無定形活性碳的方法包括：提供碳前體，將碳前體加熱至足以形成部分致密的無定形碳的溫度，并使得所述部分致密的無定形碳活化，以生產(chǎn)無定形活性碳。在活化之前，部分致密的無定形碳的密度是無定形碳的最大密度的85-99%。在一些實施方式中，無定形碳在活化之前的密度大于最大密度的88%，但是小于最大密度的98%。可以通過將碳前體加熱至800-950℃的溫度來形成此類部分致密的無定形碳。所述部分致密的無定形碳的示例性密度為1.75g/cm³-2.1g/cm³。

根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式，電化學(xué)雙層電容器（EDLC）包括至少一個碳基電極，其中所述電極包含本發(fā)明的無定形活性碳材料。

附圖簡要說明

當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀下面對本發(fā)明的具體實施方式的詳細描述時，可對其形成最好的理解，附圖中相同的結(jié)構(gòu)用相同的附圖標(biāo)記表示，其中：

圖1顯示了碳前體的隨溫度變化的密度曲線；

圖2顯示了由圖1的無定形碳化材料生產(chǎn)的無定形活性碳的隨溫度變化的比電容曲線；

圖3顯示包括至少一個具有本文所述的無定形活性碳的碳基電極的紐扣電池超級電容器；

圖4顯示了碳前體的隨溫度變化的密度曲線的實驗結(jié)果；以及

圖5顯示了由圖4的無定形碳生產(chǎn)的無定形活性碳的隨溫度變化的比電容曲線的實驗結(jié)果。

具體實施方式

根據(jù)一個或多個實施方式，用于生產(chǎn)無定形活性碳的方法包括：將碳前體加熱至足以形成部分致密的無定形碳的溫度，然后使得所述部分致密的無定形碳活化，以生產(chǎn)無定形活性碳。作為碳化的結(jié)果，所述部分致密的無定形碳的密度是無定形碳材料的最大密度的85-99%。本文所用的碳的最大密度定義為在1000℃的氮氣熱處理2小時之后測得的密度?？梢酝ㄟ^將碳前體在碳化溫度下加熱一段特定的時間來進行碳前體的碳化。

在各個實施方式中，碳前體源自可食用的谷物，例如小麥粉、胡桃粉、玉米粉、玉米淀粉、大米粉和馬鈴薯粉。其他的碳前體材料包括甜菜、粟、大豆、大麥和棉花。碳前體材料可以源自作物或植物，所述作物或植物可以是轉(zhuǎn)基因的，也可以不是轉(zhuǎn)基因的。

一種示例性的碳前體材料是小麥粉。小麥粉是通過對麥粒進行碾磨而獲得的，所述麥粒是小麥植物的種子。麥粒包括三個主要部分：胚乳、胚芽和麩皮。全麥粉包括麥粒的全部三個部分，而白面粉則僅由胚乳碾磨獲得。

從組成上來說，小麥粉主要包含淀粉，但也天然地存在其他組分。小麥粉中的主要組分如下（近似百分數(shù)列于括號中）：淀粉（68-76%）、蛋白質(zhì)（6-18%）、水分（11-14%）、膠質(zhì)（2-3%）、脂類（1-1.5%）、灰分（<0.5%）和糖（<0.5%）。