[發明專利]3D網絡孔結構超級電容炭及其制備方法

有效

• 申請號: 201610153504.6
• 申請日: 2016-03-17
• 公開（公告）號: CN105645410B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 孫康;蔣劍春;冷昌宇;鄧先倫;盧辛成;陳超;朱光真;賈羽潔
• 申請（專利權）人: 中國林業科學研究院林產化學工業研究所
• 主分類號: C01B32/348
• 分類號: C01B32/348;C01B32/336;H01G11/34
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 馮慧

技術領域

本發明涉及3D網絡孔結構超級電容炭及其制備方法，具體涉及生物質原料經過氯化鋅-氫氧化鉀-水蒸氣聯合活化制備內部孔隙相互連通的3D網絡孔結構超級電容炭的方法。

背景技術

超級電容器具有充電速度快、功率密度高、壽命長等特點，是解決電動汽車用動力電源最有效途徑。它既可以作為電動車輛運行的唯一動力電源，也可以作為電動車輛運行的輔助動力電源。超級電容器還可用于光伏電池蓄電、電網穩定、無線電發射等功率器件，以及坦克、火箭牽引的啟動能源；美國、歐洲、日本等也正在進行超級電容器的研究。

目前，超級電容活性炭是由強腐蝕性KOH活化或催化活化法制得，比表面積可高達3000m²/g以上，但是比表面積利用率不足10％，而且孔隙內部相互不連通，造成電解質進出阻力大，充放電速度慢。這種電容炭首次電容量較高，可是，多次充放電循環后，電容量衰減快，影響了電容器的使用壽命，另外無法快速充放電也是造成電動汽車不能廣泛推廣應用的瓶頸之一。究其原因，傳統的單一活化方法，雖然產生了發達的微孔，比表面積很高，但是孔隙之間無法相互貫通，造成電解液離子在孔內進出路徑曲折，傳質阻力大，造成充電速度慢。同時，金屬離子在高電位下進入微孔內，但是放電時，由于路徑曲折，金屬離子釋放困難，造成金屬離子逐漸殘留于孔內，多次充放電循環后，孔內的金屬離子“存積”越來越多，造成孔隙部分堵塞和有效比表面迅速下降，導致電容量衰減迅速，限制了超級電容器的廣泛應用及電動車的發展。

韓燕(韓燕.多孔炭材料制備及電容性能研究[D].南開大學,2013.)研究發現，采用水蒸氣活化的熱解炭黑制備的電容炭，活化溫度820℃下，比電容110Fg^-1，等效串聯電阻較小(0.34Ω)，但電荷轉移電阻和頻率的響應時間增加。因為水蒸氣活化制備得到的較窄的孔道結構不利于電解液在材料內部的擴散傳輸，使頻率的響應時間增加，內阻增加。

王妹先等(王妹先,王成揚,陳明鳴,等.KOH活化法制備雙電層電容器用高性能活性炭[J].新型炭材料,2010,25(4):285-290.)研究發現，直接用KOH活化中間相瀝青，獲得活性炭的比表面積分別為1300m²·g^-1，作為電極材料在放電電流密度為50mA/g時，比容量為190.8F·g^-1。

江奇等人(江奇,趙曉峰,黃彬,等.活性炭二次活化對其電化學容量的影響[J].物理化學學報,2009,25(4)：757-761)研究發現，利用KOH二次活化法得到的活性炭電極材料，中孔比例增減，比電容量有顯著提高，由原來的45F/g增大至145F/g。

中南大學朱晨等人(朱晨,張遠亮,劉洪濤.氧化-活化處理的超級電容器用高比電容活性炭[J].中南大學學報：自然科學版,2012,43:4638-4645.)通過對普通顆粒活性炭采取不同優化工藝處理，發現經空氣預氧化后，再用混合酸(磷酸+硫酸)或氫氧化鉀進行活化處理，得到高比電容超級電容器用活性炭。空氣氧化—混酸活化處理的活性炭電極比容量為187F/g，空氣氧化—堿活化處理的活性炭電極比容量達到206F/g。

Guo-hui Yuan等人(Guo-hui Yuan，Zhao-hua Jiang，AkikoAramata，Yun-zhi Gao.Electrochemicalbehavior of activated-carbon capacitor material loaded with nickel oxide[J].Carbon,2005,43 2913-2917.)將NiO₂粒子擔載到活性炭表面作為陰極，雖然降低了活性炭的比表面積，但是電極的電容增大了l0.84％(從175.4F/g上升到194.1F/g)，在不同電流密度下的電容沒有明顯的變化，但是電容器擔載NiO₂粒子后能量密度有所增大。

海永強等(HAI Yong-qiang(海永強)，ZHANG Wen-feng(張文峰)，WANG Bivan(王碧燕)，et a1.超級電容器用活性炭的制備及性能[J].Battery Bimonthly，2006，36(2)：92—94.)用KOH對AC進行活化，均取得了良好的效果，材料的比表面積達2 000～3 000m²/g，比電容也有所提高。