CN101071685A - 一种用于超级电容器的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法 - Google Patents

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郭金川
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Abstract

一种用于超级电容器的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法。其特征在于：以低成本的水净化用活性炭为原料，以空气、氧气或氯气为气相氧化剂，通过控制氧化气氛与活化温度对活性炭进行二次扩孔。可得到高中孔含量的活性炭材料，该方法工艺简单，便于大规模生产，用其制备超级电容器电极具有高能量密度、高功率密度的优点。

Description

一种用于超级电容器的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及储能材料与器件技术领域，介绍了一种用于超级电容器的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法。
背景技术
超级电容器(supercapacitor)又称电化学电容器，是一种新型储能装置，它具有比普通电容器更高的比能量和比电池更高的比功率。可广泛应用于各种交通工具的启动和核反应堆的控制、航天通信设施、无线通讯系统及许多军用设施等的备用电源，其军用、民用的前景十分看好。活性炭材料由于比表面积高、电化学稳定窗口宽、表面惰性等特点，一直是超级电容器的首选材料。
电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一，普通的高比表面积活性炭并不能直接用于超级电容器，这是由于在超级电容器中，只有孔隙尺寸大于溶剂分子和电解质离子的孔隙才会对比电容量有贡献，也就是说，电解质离子只有在大于2nm的孔隙表面才能形成有效双电层储能。所以，为确保超级电容器获得高能量密度，要求活性碳材料兼具高比表面积与较高的中孔结构(2～50nm)。
目前制备中孔碳的方法很多，通常有模版法、催化活化法、超临界干燥法等等，但采用模版法制备中孔碳，必须要先制备硅或高分子模版，工艺冗长，工程化困难；而采用催化活化法，尽管工艺简单，但金属杂质离子不易脱除，在作为超级电容器电极材料时，容易在高电位循环时放电，增大超级电容器器件的漏电流。而采用超临界干燥制备中孔碳凝胶技术，同样由于超临界干燥设备一次性投资大，设备维护困难，产能低，不宜用于超级电容器碳电极材料的规模化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于超级电容器的中孔碳材料的制备方法。该方法利用气体氧化剂，对普通活性碳的微孔进行二次扩孔，不依赖任何模板或催化剂，且制备方法简便，产率较高。
本发明的工艺步骤为：将普通高微孔含量的活性碳至于活化炉中，先通入N2，缓慢升温至400-800℃，再通入气相氧化剂，气相氧化剂包括氧气、空气、氯气中的至少一种。控制气相氧化剂与N2的含量，当采用空气或氧气作为氧化剂时，纯氧含量在5％-20％之间。氧含量太低时，扩孔效果不明显，超过20％，活性炭会燃烧，当采用氯气作为氧化剂时，氯气含量在10％-30％之间，氯气含量太高时，生成大孔，比表面积急剧降低，扩孔活化时间一般在5-100小时，采取多次短时间的扩孔效果比单次延长活化时间效果好。活化完全后，炉冷，取出活性炭材料，采用蒸馏水清洗至中性，烘干后备用。
利用本发明制备出的聚苯胺纳米纤维材料做超级电容器电极，在1mol/L硫酸水溶液中具有比电容值高(大于300F/g)且循环性能好的优点。
附图说明
图1为所制备的高中孔含量活性炭材料的N2吸附等温线图；
图2为所制备的高中孔含量活性炭材料的充放电曲线图。
具体实施方式
下面依据上述方案，结合实施例进一步详述本发明的实质内容和技术特点，但本发明并非仅仅限于所述的实施例。
实施例1：将100g普通水净化用活性炭材料置于瓷坩埚中，缓慢通入N2并在600℃保温2小时，再通入O2，控制PN2/PO2＝10∶1，保温时间5小时，缓慢冷却，取出活性炭后采用二次水洗涤，扩孔后活性炭的吸附等温线如图1所示。利用其制成电极在1mol/L硫酸水溶液中的充放电曲线如图2所示。
实施例2：将100g普通水净化用活性炭材料置于瓷坩埚中，缓慢通入N2并在600℃保温2小时，再通入Cl2，控制PN2/PCl2＝8∶1，保温时间4小时，缓慢冷却，取出活性炭后采用二次水洗涤。其性能结果如附表1所示。
实施例3：其他条件与实施例1相同，不同之处在于PN2/PO2＝5∶1，其性能结果如附表1所示。
实施例4：其他条件与实施例2相同，不同之处在于PN2/PCl2＝5∶1其性能结果如附表1所示。
实施例5：其他条件与实施例1相同，不同之处在于保温时间为1小时，且将该过程复5次。其性能结果如附表1所示。
表1不同处理条件下制备的活性炭性能
编号    比表面积(m2·g-1)     孔容(cm3·g-1)     中孔孔容(cm3·g-1)     中孔率(％)     比电容量(F·g-1)
  普通活性炭    524     0.53     0.041     7.5     41.1
  实施例1    1728     1.059     0.392     37     277
  实施例2    2031     1.231     0.505     41     305
  实施例3    1924     1.211     0.388     32     251
  实施例4    1765     1.034     0.403     39     278
  实施例5    2321     1.670     0.785     47     327

Claims (8)

1.一种用于超级电容器的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法。其特征在于制备方法为：以普通活性炭为原料，置于管式炉中，先通入N2，缓慢升温至400-800℃，再通入气相氧化剂，控制N2与气相氧化剂的比例在一定范围内。保持一定的氧化时间，缓慢降温，即可得高中孔含量的活性炭材料。
2.根据权利要求1所述的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法，其特征在于所应用的原料为已炭化后的活性炭材料。
3.根据权利要求2所述的已炭化的活性碳材料，其特征在于微孔含量在10％以下，比表面积在700m2/g以下。
4.根据权利要求1所述的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法，其特征在于所应用的气相氧化剂为空气、氧气、或氯气中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法，其特征在于气相氧化剂为空气或氧气时，氧化时炉体内气氛控制表现为纯氧含量在5％-20％之间。
6.根据权利要求1所述的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法，其特征在于气相氧化剂为氯气时，氧化时炉体内气氛控制表现为氯气含量在10％-30％之间。
7.根据权利要求1所述的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法，其特征在于气相氧化时间范围为5-100小时。
8.根据权利要求1所述的高中孔含量活性炭电极材料的制备方法，其特征在于所制备的活性炭电极材料，比表面积在2000m2/g以上，中孔含量大于40％。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102214514A (zh) * 2011-03-21 2011-10-12 中南大学 一种超级电容器用高比电容活性炭电极材料的生产方法
CN103114434A (zh) * 2013-03-04 2013-05-22 北京师范大学 纳米Fe3O4-V2O5-Au掺杂聚萘胺膜修饰活性炭纤维电极的制备工艺
CN103342360A (zh) * 2013-07-25 2013-10-09 哈尔滨工业大学 一种适宜生物强化的高性能中孔活性炭及其制备方法
CN108751192A (zh) * 2018-08-06 2018-11-06 南京林业大学 一种超级电容器用活性炭及其制备方法和应用

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