[發明專利]一種超級電容器用改性活性炭及其制備方法

有效

• 申請號: 202010867241.1
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN111977653B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 王傲;蔣劍春;孫康;陳超;劉艷艷;孫昊;徐茹婷;許偉;盧辛成
• 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: C01B32/354
• 分類號: C01B32/354;C01B32/205;H01G11/24;H01G11/34
• 代理公司: 南京申云知識產權代理事務所(普通合伙) 32274
• 代理人: 蘇秋麗;邱興天

本發明公開了一種超級電容器用改性活性炭及其制備方法，屬于活性炭材料生產改性及應用技術領域。該方法先通過金屬鹽高溫催化在活性炭外表構筑石墨化外殼，再通過氧化改性使活性炭孔道摻氧，得到電子電導率和離子電導率同步提高的改性活性炭材料。本發明解決了活性炭電極材料電子電導率和離子電導率互為消長的技術難題，首次實現了兩者的同步提升。本發明制備方法操作簡單，可應用于同時對電子和離子電導率有要求的活性炭材料改性中。本發明改性活性炭用于超級電容器時的倍率性能、比電容量均有大幅提高，組裝成超級電容器后，具有優異的循環穩定性，應用前景廣闊。

技術領域

本發明屬于活性炭材料生產改性及應用技術領域，具體涉及一種超級電容器用改性活性炭及其制備方法。

背景技術

超級電容器是一種兼具電池和傳統電容器優點的儲能器件，主要由集流體、電極、電解液和隔膜等部分組成。其中，電極材料是影響超級電容器儲能性能的關鍵因素，成為當前研究的熱點。活性炭材料具有原料來源廣泛，比表面積大、孔隙結構發達、電導率高、化學穩定性好等特點，是目前商業化應用最為廣泛的超級電容器電極材料。

具有優異電容性能的活性炭電極材料需要同時具備高的電子電導率和離子電導率。然而，活性炭電極材料的電子電導率和離子電導率一般呈互為消長的關系。即電子電導率的提高勢必會導致官能團的減少和離子電導率的降低，而離子電導率的提高則會導致電子電導率的下降。如，對活性炭材料進行高溫處理或石墨化會顯著提高其電子電導率，但會使其在水系電解液中的離子電導率下降；氧化改性可以增加活性炭的表面含氧官能團數量，提高其對水系電解液離子的表面可浸潤性和離子電導率，但一般會使其電子電導率下降。因此，如何實現活性炭電極材料電子電導率和離子電導率的同步提升是當前的技術難點。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明要解決的一個技術問題在于提供一種超級電容器用改性活性炭，該改性活性炭實現了活性炭材料電子電導率和離子電導率的同步提升。本發明要解決的另一個技術問題在于提供一種超級電容器用改性活性炭的制備方法，該方法通過催化石墨化先在活性炭外壁構筑石墨化外殼，再對活性炭孔道進行氧化改性以增加孔道內含氧官能團，得到電子電導率和離子電導率得到同步提升的改性活性炭電極材料。

本發明所采用的具體技術方案如下：

一種超級電容器用改性活性炭的制備方法，包括以下步驟：

(1)將活性炭材料與金屬鹽催化劑加入研磨裝置中，固相研磨后混勻，所得混合固體轉移至管式爐中進行高溫煅燒，石墨化結束后冷卻至室溫，依次使用鹽酸和蒸餾水進行洗滌，干燥后得表面石墨化的活性炭材料；

(2)表面石墨化的活性炭材料與氧化性酸混合進行氧化改性，氧化改性結束后冷卻至室溫，過濾，蒸餾水洗滌，濾餅干燥后得孔道氧化改性的活性炭材料。

所述超級電容器用改性活性炭的制備方法，固相研磨的研磨時間為0.5～1.5h。

所述超級電容器用改性活性炭的制備方法，金屬鹽催化劑為醋酸鎳、硝酸鎳或氯化鎳中的任一種；活性炭材料與金屬鹽催化劑的質量摩爾比為1g:5～9mmol。

所述超級電容器用改性活性炭的制備方法，石墨化過程中，管式爐在無氧氛圍下，以5～10℃/分鐘的升溫速率升至1000～1200℃，保持2～4h。

所述超級電容器用改性活性炭的制備方法，石墨化過程中，管式爐在無氧氛圍下，以10℃/min的升溫速率升至1100℃，保持3h。

所述超級電容器用改性活性炭的制備方法，氧化性酸為HNO₃、H₂O₂或H₂SO₄。

所述超級電容器用改性活性炭的制備方法，表面石墨化的活性炭材料與氧化性酸的質量體積比為1g:50～100mL，氧化性酸的質量濃度為0.5％～1.5％。