[發(fā)明專利]一種用于超級(jí)電容器的海藻基活性炭電極材料及制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810377918.6
• 申請(qǐng)日: 2018-04-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108766773A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓奎華;韓旭東;牛勝利;李金曉;李英杰;李明;趙建立
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/24
• 分類號(hào): H01G11/24;H01G11/44;H01G11/86;C01B32/348;C01B32/324
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 鄭平

本發(fā)明提供一種用于超級(jí)電容器的海藻基活性炭電極材料及制備方法。將海藻在膠體磨中進(jìn)行膠磨，再將膠磨過(guò)后的產(chǎn)物進(jìn)行干燥，然后將干燥后的產(chǎn)物進(jìn)行炭化、酸洗、活化。最后將活化產(chǎn)物進(jìn)行后處理可得到活性炭。本發(fā)明通過(guò)膠磨及干燥，根據(jù)機(jī)械纖絲化原理，通過(guò)機(jī)械膠磨有效分離了細(xì)胞壁的纖維絲納米纖絲，形成納米纖絲化纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，方法綠色環(huán)保簡(jiǎn)單，使得前驅(qū)體結(jié)構(gòu)更加均勻，制備的活性炭空隙結(jié)構(gòu)也就更加均勻，從而提高了表面積利用率，提高超級(jí)電容器的能量密度。步驟簡(jiǎn)單、操作方便、實(shí)用性強(qiáng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超級(jí)電容器領(lǐng)域，特別涉及一種用于超級(jí)電容器的海藻基活性炭電極材料及制備方法。

背景技術(shù)

超級(jí)電容器是20世紀(jì)70年代興起的一種新型儲(chǔ)能器件，與傳統(tǒng)的儲(chǔ)能器件相比，其具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前，超級(jí)電容器已廣泛應(yīng)用于車輛、起重裝置、激光武器等高科技領(lǐng)域。而超級(jí)電容器主要是由電極、電解質(zhì)、隔膜等原件構(gòu)成，其中，電極材料對(duì)超級(jí)電容器的電化學(xué)性能起著關(guān)鍵的作用。

超級(jí)電容器電極材料主要包括，碳電極材料，金屬氧化物，導(dǎo)電聚合物。目前工業(yè)上使用的超級(jí)電容器電極材料主要是碳材料中的活性炭。活性炭?jī)?chǔ)能機(jī)理是：通過(guò)電荷在活性炭大表面積上的物理吸附和釋放實(shí)現(xiàn)電容器的充放電。在此過(guò)程中，活性炭材料的比表面積大小和孔徑結(jié)構(gòu)分布是決定電極材料性能的關(guān)鍵因素。而生物質(zhì)活性炭由于其原料廉價(jià)、綠色環(huán)保、制備方法簡(jiǎn)單而受到重視。

常見(jiàn)的制備活性炭的生物質(zhì)有咖啡豆渣、桐樹(shù)、甘蔗渣、荔枝樹(shù)干、木薯皮、杏殼等等。通過(guò)炭化、活化得到孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的活性炭電極材料。制備的活性炭比表面積可達(dá)到1000-3500m²/g，在水系電解液下的比電容可達(dá)到100-300F/g(KOH、H₂SO₄)。而近些年來(lái)，研究人員將活性炭生物質(zhì)原料從陸地生物拓展到了海洋生物。專利CN201310746693.4公開(kāi)了采用海藻為原料，利用多價(jià)金屬陽(yáng)離子對(duì)海藻表面進(jìn)行交聯(lián)預(yù)處理，再采用炭化、酸洗、KOH活化處理，得到了電化學(xué)性能優(yōu)越的活性炭材料。

專利CN201410324597.5公開(kāi)了一種海藻提取液及其制備方法和應(yīng)用，制備方法包括：(1)將海藻粉碎成粗粉；(2)將粗粉加入水后用膠體磨進(jìn)行粉碎和提取；(3)提取液中加入硅藻土和活性炭，攪拌混合；沉降；(4)上清液離心分離；(5)加入晶種冷凍處理；(6)融化過(guò)濾；(7)用水復(fù)溶。

專利CN201710572572.0公開(kāi)了一種孔徑可控的竹質(zhì)活性炭及其制備方法，通過(guò)將竹質(zhì)材料微細(xì)化處理后，與殼聚糖凝膠混煉，使殼聚糖凝膠均勻分散于竹質(zhì)材料中，進(jìn)一步與檸檬酸捏合使檸檬酸塑化竹質(zhì)內(nèi)部，然后通過(guò)膠體磨剪切擠壓機(jī)使竹材在低溫下連續(xù)剪切活化，再在高溫下用水蒸汽活化，水洗后烘干，得到孔徑可控的竹質(zhì)活性炭。

而目前無(wú)論陸地生物質(zhì)還是海洋生物質(zhì)活性炭，都遠(yuǎn)低于雙電層電容的理論比電容25μF cm^-2，即比表面積利用率比較低。這使得電極材料的體積比電容比較低。這是由于生物質(zhì)活性炭中存在灰分和孔隙結(jié)構(gòu)不均勻等原因?qū)е碌摹６壳爸萍s超級(jí)電容器應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是體積過(guò)大。因此我們要在保證質(zhì)量比電容的前提下，提高體積比電容。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述不足，本發(fā)明提供了一種通過(guò)對(duì)海藻原料進(jìn)行處理，得到電化學(xué)性能優(yōu)越的活性炭的方法。本申請(qǐng)研究發(fā)現(xiàn)：海藻類生物與陸生植物的不同在于其沒(méi)有木質(zhì)素，不會(huì)阻礙室溫下納米纖絲化纖維素(NFC)的化學(xué)處理進(jìn)程。因此，利用這一特性，將海藻放入膠磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械纖絲化處理，有效分離了海藻細(xì)胞壁的纖維絲納米纖絲，形成納米纖絲化纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并使得海藻變?yōu)槌煞帧⒔Y(jié)構(gòu)相對(duì)均一的制備活性炭原料。同時(shí)，為了進(jìn)一步提升活性炭的性能，本申請(qǐng)對(duì)膠磨所得原料的后續(xù)處理方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析，經(jīng)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)摸索后發(fā)現(xiàn)：將膠磨所得原料再通過(guò)炭化、酸洗、活化、酸洗工藝，制備的活性炭孔隙結(jié)構(gòu)分布更加均一，灰分含量更少。所制備的活性炭比表面積利用率高，電化學(xué)性能優(yōu)異。