[發明專利]一種用松針基活性炭材料制備超級電容器電極材料的方法

在審

• 申請號: 201610023227.7
• 申請日: 2016-01-14
• 公開（公告）號: CN105692616A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 高發明;尹航;周軍雙;張俊川;劉磊
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: C01B31/12
• 分類號: C01B31/12;H01G11/86;H01G11/32
• 代理公司: 石家莊一誠知識產權事務所 13116
• 代理人: 續京沙

技術領域

本發明屬于電化學領域，特別涉及一種超級電容器電極材料的制備方法。

背景技術

超級電容器又稱電化學電容器，科學家們為了尋找新能源從而迅速發展起 來的新型電能儲存元件。超級電容器是一種介于傳統電容器的迅速充放電與蓄 電池的大容量之間的一種全新型儲能器件。具有充放電速率快、循環壽命長、 功率密度高、環保低污染、易維護等優點，有效地彌補普通的靜電電容器和蓄 電池儲存特性的缺點，近年來，超級電容器在電子通訊、航空航天、軍事國防 以及新能源汽車等領域展現了前所未有的應用前景。關于超級電容器的理論研 究和實際應用已取得了很大進展，但是能量密度低、成本高的缺點迄待解決。 而影響超級電容器性能的關鍵因素在于電極材料的選用，因而研究低成本的、 高能量密度的電極材料迫在眉睫。

目前，超級電容器的電極材料大體分為三類：碳材料、導電聚合物、過渡 金屬氧化物。碳材料由于其良好的化學惰性、高導熱性、高導電性、成本低廉， 使得碳材料在能源領域得到廣泛關注。制備碳材料的原料廣泛，其中以生物質 為前驅體的碳材料具有碳材料基本的物理化學性質，同時其表面富含大量 -COOH和-OH等含氧官能團，提供額外的贗電容，因而成為碳材料重要來源。

生物碳材料制備過程一般分為炭化和活化。炭化是在高溫和惰性氣體保護 下，生物質通過熱解和縮聚反應形成多孔性的炭結構體(影響因素包括溫度、 原料的粒度、保溫時間和升溫速度等)。活化目的使碳材料的孔結構更豐富，進 而有利于其在電極材料中的應用。活化方法分為物理活化和化學活化。

中國地大物博，資源豐富，是世界上裸子植物種類最豐富的國家之一，松 樹在中國分布廣泛，易于種植。在中國廣袤的山林原野中，松科樹種隨處可見。 與松脂采集不同，松針的采集屬于非破壞性采集，對松樹的生長無任何影響， 可變廢為寶。對其化學成分進行分析鑒定，結果表明：新鮮松針中有65種組分， 其主要成分是烷烴、烯酸、烯酮、甾醇類；而干枯松針的組分有44種，其主要 成分是烷酸、酮類、酯類以及甾醇類物質，其中甾醇類物質的含量比較高。干 枯松針中的組分存在形式相對比較穩定。如能將這些可再生的松枝充分利用， 其經濟效益和社會效益必定不容小覷。目前國內外尚無利用松枝制備超級電容 器用的活性碳材料的相關報道。

發明內容

本發明的目的是提供一種價格低廉，能量密度高，合成工藝簡單的用松針 基活性炭材料制備超級電容器電極材料的方法。本發明主要是以生物質松枝為 碳源，經預處理的松枝經高溫碳化制備生物質碳，然后進行活化處理，酸處理， 最后制得活性炭電極材料(AC-PN)。

本發明的技術方案包括以下步驟。

(1)松針預處理：將采集的松針用無水乙醇、去離子水分別洗滌3次，之 后放入真空冷凍干燥機中在真空度4.0Pa，-103℃的條件下凍干處理24h，取出 待用。

(2)制備松針生物碳(C-PN)：將步驟(1)的松針置于石英舟中放入管式 電阻爐中，在氣氛保護下，以5℃/min的升溫速率，升溫至600～900℃，此溫 度下恒溫碳化1～3小時，待其冷卻至室溫，取出碳化產物，分別用無水乙醇、 去離子水洗滌3～5次，最后將碳化產物置于烘箱中60～80℃，干燥10h，即得 松針生物碳(C-PN)。

所述氣氛保護所用氣體為高純氮氣、高純氬氣或者氬氣和氫氣混合氣，其 中氫氣體積含量為30％～60％。

(3)化學活化松針生物炭(AC-PN)：將步驟(2)的松針生物碳和活化劑 按質量百分比1:0.5～4混合均勻，置于箱式氣氛爐中，在氣體保護下，以5℃/min 的升溫速率，升溫至500～900℃，在此溫度下恒溫碳化0.5～2小時，待其冷卻 至室溫，取出活化產物。

所述活化劑為分析純氫氧化鉀、碳酸鉀或者氯化鋅材料中的一種或幾種(比 例隨意)；所述氣氛保護所用氣體為高純氮氣、高純氬氣或者氬氣和氫氣混合氣， 其中氫氣體積含量為30％～60％。

(4)活化產物酸處理：將步驟(3)的活化產物置于濃酸浸泡3～10h，之 后超聲處理0.5～2小時，超聲功率為60W，稀釋上述混合物到300mL，用無水 乙醇、去離子水洗滌多次至中性，最后將產物置于烘箱中60～80℃，干燥10h， 制得超級電容器電極材料(AC-PN)。