[發明專利]用于高電壓電化學雙層電容器的活性炭

在審

• 申請號: 201480053183.1
• 申請日: 2014-07-23
• 公開（公告）號: CN105579394A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發明（設計）人: K·P·加德卡里;A·F·胡斯特德;X·劉
• 申請（專利權）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號: C01B31/10
• 分類號: C01B31/10;H01G11/34
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 項丹;江磊

相關申請的交叉引用

本申請根據35U.S.C.§119要求于2013年10月24日提交的美國專利申 請系列號61/894990和于2013年7月26日提交的美國專利申請系列號 61/858902的優先權，并根據35U.S.C.§120要求于2014年1月28日提交的 美國專利申請系列號14/166427的優先權，其全部內容通過引用納入本文。

背景

領域

本發明總體上涉及活性炭的形成方法，更具體而言，涉及利用二氧化碳對 基于樹脂的碳進行物理活化。

技術背景

諸如超級電容器的儲能裝置可用于許多例如需要離散的功率脈沖等應用 中。示例性應用的范圍包括從手機到混合動力汽車。超級電容器也被稱為電化 學雙層電容器(EDLC)，其已逐漸成為需要高功率、長保存期限和/或長循環 壽命的應用中的電池的替代物或比這種電池更好的產品。超級電容器通常包含 被一對碳基電極夾在中間的多孔隔膜和有機電解質。能量的儲存是通過將電荷 分離并儲存于在電極與電解質之間的界面處產生的電化學雙層中來實現的。這 些裝置的重要特性是它們可提供的能量密度和功率密度，所述能量密度和功率 密度都在很大程度上取決于結合入電極中的碳的性質。

適合結合入能量存儲裝置中的碳基電極是已知的。由于活性炭具有較大的 表面積、電子導電性、離子電容、化學穩定性和/或較低的成本，因而被廣泛用 作超級電容器中的多孔材料。活性炭可由合成的前體材料或例如煤炭、椰殼和 生物質等天然前體材料制得。利用合成和天然前體，活性炭可通過先使前體碳 化再使中間產物活化來形成。活化可包括在升高的溫度下進行的提高碳的孔隙 率的物理(例如蒸汽)或化學活化，從而提高其表面積。

物理和化學活化處理通常都包含大量的熱衡算以對碳化材料進行加熱并 使其與活化劑反應。在化學活化的情況下，當碳化材料被加熱并與例如KOH 等活化劑反應時，可形成腐蝕性的副產物。另外，碳化材料在加熱和反應過程 中可能發生相變，且化學活化劑可在處理過程中導致不希望的混合物團聚。這 些缺陷會增加整個過程的復雜度和成本，特別是對于那些在長時間下在升高的 溫度下進行的反應而言。

據報道，當在碳的化學活化中使用例如KOH等苛性物質時會產生嚴重的 問題。例如，當在碳活化中使用旋轉窯時，通常需要使原料在受到在活化溫度 下的處理前經過煅燒和/或干燥和/或脫水處理。團聚常常會產生嚴重的問題， 例如增加過程的復雜度和/或成本，例如在連續過程中，過程需要使用螺旋捏合 機。作為一種避免團聚問題的方法，已使用例如滾筒爐等其它技術，其中，在 托盤上裝載活化混合材料并使其通過多區域隧道爐。這種爐子的運行成本會比 較高且其通量有限，因為爐子中每次只能通過一個托盤水平。爐膛寬度也是限 制滾筒爐通量的因素，因為橫跨爐子的滾筒長度受到工作溫度下的材料效用和 強度的限制

因此，如果能夠在將腐蝕和/或團聚的技術問題降至最低的同時，通過一 種更加經濟的活化途徑來提供活性炭材料和用于形成活性炭材料的方法，那將 是有益的。所得到的活性炭材料可具有較高的表面積:體積的比值和最低的反 應性，特別是在升高的電壓下與有機電解質的反應性，并且可用于形成使裝置 具有高效、長壽命和高能量密度的碳基電極。

發明內容

根據本發明的實施方式，適合結合入超級電容器用和其它高功率密度能量 存儲裝置用碳基電極中的活性炭是由線型酚醛清漆樹脂碳前體材料通過二氧 化碳活化來衍生得到的。與化學活化途徑相比，本文所描述的CO₂活化的碳可 使成本降低多達50％。

活性炭可通過在能夠有效形成碳材料的碳化溫度下對線型酚醛清漆樹脂 碳前體進行加熱，然后在能夠有效形成活性炭的活化溫度下使該碳材料與二氧 化碳發生反應來制備。在各種實施方式中，可在進行碳化前使樹脂前體固化。

在以下的詳細描述中提出了本發明內容的附加特征和優點，其中的部分特 征和優點對本領域的技術人員而言根據所作描述即容易理解，或者通過實施包 括以下詳細描述、權利要求書以及附圖在內的本文所述的本發明內容而被認 識。