[發明專利]一種活性炭材料、制備方法和超級電容器

有效

• 申請號: 201510080923.7
• 申請日: 2015-02-13
• 公開（公告）號: CN104609419A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發明（設計）人: 徐軍紅;陳和平;萬艷玲;陳玉;陳勇
• 申請（專利權）人: 洛陽月星新能源科技有限公司
• 主分類號: C01B31/10
• 分類號: C01B31/10;H01G11/24;H01G11/44
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 牛愛周

技術領域

本發明屬于電極材料技術領域，具體涉及一種活性炭材料、制備方法和超級電容器。

背景技術

超級電容器是一種介于蓄電池和傳統電容器之間、基于電極/電解液界面的電化學過程的儲能元件，其容量來源于雙電層電容和法拉第準電容，它兼有普通電容器功率密度大和蓄電池能量密度高的特點，具有優異的連續快速充放電性能、循環壽命長、功率密度高、使用溫度范圍寬、對環境友好等優點。超級電容器在許多領域都有廣泛的應用前景，如移動通信、信息技術、航空航天、國防科技、民用領域或單獨用于調整電負荷、貯存電力，或與燃料電池、太陽能電池、風力發電、內燃機等產生電能的裝置混合使用。

目前越來越多的研究關注的提高超級電容器的電化學性能，尤其提高其比電容、充放電循環性能等。目前的研究表面，超級電容器的電極材料是制約其性能的關鍵因素之一，而活性炭材料具有的大的比表面積、高的中孔率、低的電阻率、化學性能穩定、孔結構可控、價格低廉、來源廣泛等優點，使其作為超級電容器的理想電極材料。因此，如何制備出比表面積大、中孔率高、總孔容大的活性炭材料對提高超級電容器的電化學性能具有至關重要的作用。

目前制備活性炭材料通常以石油、煤炭、木材、果殼、樹脂等為原料，經過炭化階段和活化階段制備而成，其中活化方法分為化學活化和物理活化，化學活化條件比較苛刻，能耗大，生產成本高，且對設備腐蝕性較強，操作比較危險，二次污染較大；與化學活化相比，物理活化對環境無害，且活化劑清潔易得，成本低。如中國專利CN1012441819A公開了一種金屬活性炭的制備方法，以煤質原料粘結金屬化合物為原料，在400～700℃下炭化，以含有水蒸氣的混合物為活化劑以物理活化的方式在700～1000℃下活化，雖然該公開的活性炭采用物理活化的方式制備，克服了化學活化的缺陷，但是這種主要以煤質為原料制備的活性炭的比表面積最高僅僅達到1071m²/g，無法滿足超級電容器對電極材料比表面積性能的要求，無法確保使用該材料制備的超級電容器的充放電循環性能。

那么，能否打破把石油、煤等作為原料制備活性炭的常規思維方式，而以其它材料為原料來制備用于超級電容器活性炭的研究尚未見報道。塊狀石墨，屬于天然石墨范疇，儲量豐富，品位很高，碳含量為60％～65％，甚至高達80％～98％，結晶肉眼可見，材料內部空隙大，具有天然的蜂窩狀孔洞結構。另外，其化學性質極其穩定(只有在3850±50℃溫度下才變成液態)，耐溫差性能、耐腐蝕性能極好。為此，研究一種易于操作、成本低的用塊狀石墨制備超級電容器用活性炭材料，具有明顯的經濟效益和社會效益。

發明內容

為了克服現有技術的缺陷，本發明的目的之一在于提高一種以塊狀石墨為原料制備的比表面積大、中孔率高、總孔容大的活性炭材料。

本發明的目的之二在于提供一種活性炭材料的制備方法。

本發明的目的之三在于提供一種質量比電容高，循環性能好的超級電容器。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種活性炭材料，以塊狀石墨為原料，采用包括以下操作步驟的方法制備而得：

1)塊狀石墨的炭化：將塊狀石墨以10～20℃升溫速率升溫至500～700℃，炭化，得到炭化料；

2)炭化料的活化：將步驟1)制備的炭化料以10～20℃/min的升溫速率升溫至700～900℃后，通入活化氣體，活化后即得所述的活性炭材料。

步驟2)中所述的活化氣體為二氧化碳和水蒸氣的混合氣體。

所述活化氣體為二氧化碳氣體經過去離子水后流出的氣體。

步驟2)中炭化料的質量為10～30g時，對應活化氣體的流量為100～300ml/min。

所述活化氣體為將二氧化碳氣體以100～300ml/min的流速，通入15～20L去離子水中，流出的氣體即為活化氣體。

步驟1)中炭化時間為1～3h。

步驟2)中活化時間為2～6h。

一種活性炭材料的制備方法，包括以下操作步驟：

1)塊狀石墨的炭化：將塊狀石墨以10～20℃升溫速率升溫至500～700℃，炭化，得到炭化料；

2)炭化料的活化：將步驟1)制備的炭化料以10～20℃/min的升溫速率升溫至700～900℃后，通入活化氣體，活化后即得所述的活性炭材料。

上述塊狀石墨的粒徑D₅₀為20～30μm，比表面積為70～90m²/g。

步驟1)中炭化后降至室溫得到炭化料。