[發(fā)明專利]利用至少一種添加劑對(duì)碳進(jìn)行的化學(xué)活化

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201480054035.1
• 申請(qǐng)日: 2014-07-23
• 公開（公告）號(hào): CN105636904A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·G·法根;K·P·加德卡里;A·庫(kù)馬爾;S·O·澳烏蘇;K·P·雷迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號(hào): C01B31/12
• 分類號(hào): C01B31/12
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 項(xiàng)丹;江磊

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§119要求于2013年7月31日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/ 860489的優(yōu)先權(quán)，本申請(qǐng)以該文為基礎(chǔ)，該文的內(nèi)容通過(guò)引用全文納入本申請(qǐng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及活性炭的形成方法，更具體而言，本發(fā)明涉及利用至少一種添 加劑對(duì)碳進(jìn)行化學(xué)活化以減輕氣泡和/或熔化。

背景

例如超級(jí)電容器的儲(chǔ)能裝置可被用于各種應(yīng)用中，范圍從手機(jī)到混合動(dòng)力汽車。 超級(jí)電容器正逐漸成為需要大功率、長(zhǎng)貯藏壽命和/或長(zhǎng)循環(huán)壽命的應(yīng)用中的電池的替代 物。超級(jí)電容器通常包含被一對(duì)碳基電極夾在中間的多孔隔膜和有機(jī)電解質(zhì)。能量的儲(chǔ)存 是通過(guò)將電荷分離并儲(chǔ)存于在電極與電解質(zhì)之間的界面處產(chǎn)生的電化學(xué)雙層中來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jié)合入電極中的碳的性質(zhì)。

適合結(jié)合入能量存儲(chǔ)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(dǎo)電性、離子電容、化學(xué)穩(wěn)定性和/或較低的成本，因而被廣泛用作超級(jí)電容器中的 多孔材料。活性炭可由例如煤炭、椰殼和生物質(zhì)的天然前體材料或例如酚醛樹脂的合成材 料制得。利用天然和合成前體，活性炭可通過(guò)先使前體碳化再使中間產(chǎn)物活化來(lái)形成。活化 可包括在升高的溫度下進(jìn)行提高碳的孔隙率的物理(例如水蒸氣或CO₂)或化學(xué)活化，從而 提高其表面積。本領(lǐng)域中已被使用的若干化學(xué)試劑包括KOH、NaOH、LiOH、H₃PO₄、Na₂CO₃、KCl、 NaCl、MgCl₂、AlCl₃、P₂O₅、K₂CO₃、K₂S、KCNS和/或ZnCl₂；然而，例如KOH、NaOH和LiOH的堿金屬氫 氧化物被廣泛使用以實(shí)現(xiàn)各種所需的性質(zhì)。

物理和化學(xué)活化處理通常都包含大量的熱衡算以對(duì)碳化材料進(jìn)行加熱并使其與 活化劑反應(yīng)。在化學(xué)活化的情況下，當(dāng)碳化材料被加熱并與例如堿金屬氫氧化物的苛性化 學(xué)活化劑反應(yīng)時(shí)，可形成腐蝕性的副產(chǎn)物。另外，碳化材料和化學(xué)活化劑在加熱和反應(yīng)過(guò)程 中可能發(fā)生相變或熔化，這可在處理過(guò)程中導(dǎo)致不希望的混合物團(tuán)聚。這些缺陷會(huì)增加整 個(gè)過(guò)程的復(fù)雜度和成本，特別是對(duì)于那些在長(zhǎng)時(shí)間下在升高的溫度下進(jìn)行的反應(yīng)而言。

據(jù)報(bào)道，當(dāng)在碳的化學(xué)活化中使用例如KOH的苛性物質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。例 如，當(dāng)在碳活化中使用旋轉(zhuǎn)窯時(shí)，通常需要使原料在進(jìn)行活化溫度下的處理前經(jīng)過(guò)煅燒和/ 或干燥和/或脫水處理。團(tuán)聚常常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的問題，例如增加過(guò)程的復(fù)雜度和/或成本，例 如在連續(xù)過(guò)程中，過(guò)程需要使用螺旋捏合機(jī)。

作為一種避免團(tuán)聚問題的方法，已使用例如滾筒爐的其它技術(shù)，其中，在托盤上裝 載活化混合材料并使其通過(guò)多區(qū)域隧道爐。這種爐子的運(yùn)行成本會(huì)比較高且其通量會(huì)受 限，因?yàn)槊看沃荒苡梢粋€(gè)托盤水平通過(guò)爐子。爐膛寬度也是一個(gè)限制滾筒爐通量的因素，因 為橫跨爐子的滾筒長(zhǎng)度受到工作溫度下的材料效用和強(qiáng)度的限制。

另外，使用堿金屬氫氧化物的化學(xué)活化會(huì)在處理過(guò)程中釋放出若干種氣體(例如 CO、CO₂、H₂和H₂O)，這些氣體會(huì)形成泡沫?；罨^(guò)程中的起泡會(huì)限制能夠在活化反應(yīng)器中被 處理的材料的量。例如，在一些種情況中，考慮到處理中產(chǎn)生的氣泡，坩堝中用于裝載原料 混合物的體積只占到坩堝容積的大約10～30％，例如大約20％。如上所述，原料混合物的腐 蝕性使其需要使用由昂貴且耐腐蝕的材料制成的反應(yīng)器來(lái)處理。因此，若能開發(fā)一種允許 增加原料生產(chǎn)能力的化學(xué)活化方法，那將是有益的。

涉及在處理過(guò)程中避免起泡的現(xiàn)有技術(shù)包括用壓實(shí)的原料丸粒替代顆?；蛭⒘? 狀的原料。這些丸粒是通過(guò)例如對(duì)原料混合物進(jìn)行若干小時(shí)的真空干燥和/或向原料混合 物添加粘合劑來(lái)制得的。然后使這些丸?；罨⑵涮幚沓晒腆w、丸粒狀。然而，額外的真 空干燥步驟和/或額外的粘合劑組分有增加活性炭生產(chǎn)的成本和/或時(shí)間的傾向。