[發明專利]含有經過CO2活化的椰炭的高壓EDLC電極

在審

• 申請號: 201480053214.3
• 申請日: 2014-07-23
• 公開（公告）號: CN105593958A
• 公開（公告）日: 2016-05-18
• 發明（設計）人: K·P·加德卡里;A·庫馬爾
• 申請（專利權）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號: H01G11/34
• 分類號: H01G11/34;H01G11/44;H01G11/24;C01B31/08
• 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7月26日提交的美國專利申請 系列號61/858929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14/166457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，涉及使用二氧化碳對 基于椰炭的碳進行物理活化，本發明還涉及具有包含這種活性炭的碳基電極的 高壓EDLC。

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。活性炭可由例如酚醛樹脂的合成的前體材料或例 如煤炭和生物質的天然前體材料制得。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。

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基于椰炭的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，本發明的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椰殼進行加熱，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。

在一種實施方式中，一種活性炭的形成方法包括：通過在能夠有效形成碳 材料的碳化溫度下對椰殼材料進行加熱來使該椰殼材料碳化；以及在使該碳材 料暴露于二氧化碳的同時，通過在活化溫度下對該碳材料進行加熱來使該碳材 料活化。

所得到的活性炭包含孔徑≤1nm的孔，它們所提供的總孔容≥0.2cm³/g； 孔徑＞1nm且≤2nm的孔，它們所提供的總孔容≥0.05cm³/g；以及任何孔徑 ＞2nm的孔，它們的總孔容＜0.25cm³/g。

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。

應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述給出了本發明內容的實施方 式，用來提供理解要求保護的本發明內容的性質和特性的總體評述或框架。包 括的附圖提供了對本發明的主題的進一步理解，附圖并入本說明書中并構成說 明書的一部分。附圖例示了本發明的主題的各種實施方式，并與說明書一起對 本發明的主題的原理和操作進行闡述。此外，附圖和說明書僅僅是示例性的， 并不試圖以任意方式限制權利要求的范圍。