CN101562076A - 一种超级电容器专用活性炭纤维布制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种适用于超级电容器电极的活性炭纤维材料，采用粘胶纤维作为原材料布，采用磷酸铵类活化剂和氯化钾催化剂的混合液作为浸渍剂，将浸渍完成的原料布在280℃～320℃条件下进行前处理炭化过程，然后在水蒸气气氛中，800～950℃条件下进行活化处理过程，最后经洗涤、烘干处理过程后制备成为超级电容器电极材料。基于上述方法制备活性炭纤维电极的超级电容器具有储能密度大、放电功率高等特点，在电子、汽车等领域具有广泛应用。

Description

一种超级电容器专用活性炭纤维布制备方法
技术领域
本发明属于活性碳纤维材料制造技术范围，特别涉及应用于高储能密度的一种双电层型超级电容器活性碳纤维电极材料的制造方法。
背景技术
电化学超级电容器是一种新型储能装置，集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身，此外它还具有免维护、高可靠性等优点，是一种兼备电容和电池特性的新型电子元件。根据储能机理的不同，其主要分为建立在界面双电层基础上的双层电容器以及建立在法拉第准电容基础上的超级电容器。碳材料的性质是决定双层电容器性能的决定因素。其中包括碳材料的比表面积、孔径分布、电化学稳定性和电导率等。经过研究满足要求的碳材料有活性炭，活性碳纤维，纳米碳管等等，这方面比较典型的专利如美国MAXWELL公司的专利《具有密封电解封口的多电极双层电容器》(CA1408121A)。具有纳米结构的高比表面积碳电极材料是制约超级电容器性能的关键性因素。1962年W.F.Abbott研制成功粘胶基活性碳纤维。上世纪70年代初，日本东洋纺织公司率先推出了以粘胶纤维为原料的活性碳纤维。此后东邦人造丝的聚丙烯腈(Polyacrylonitrie，简称为PAN)系活性碳纤维开始投产。1980年日本可乐丽化学公司开始生产和销售酚醛系的活性碳纤维。1989年日本大阪瓦斯和尤尼吉卡合资成立Adoll公司，开始生产沥青系列的活性碳纤维。目前，国外已经研究出了多种规格及牌号的活性碳纤维，并将这种产品制成各种高附加值的产品，在国民经济各领域创造了极大的经济效益。
发明内容
本发明的目的是提出一种应用于超级电容器的活性碳纤维材料及其制造方法。所述制备方法以人工纤维(如粘胶纤维)为基本原料，适当掺杂一些其他纤维纺织成布，对原料进行预处理后，经专门设计的高温炉进行碳化、活化，再经过物理化学方法对碳表面进行改性处理后制成超级电容器专用活性碳纤维电极材料。
所述制备方法工艺流程包括配料、织造、清洗、脱水、干燥、前处理、炭化、预处理、活化、纯化、改性、金属化成型、热处理等，最终制备成为电极材料。
所述炭纤维布的原材料选用粘胶纤维制成平纹布或斜纹布，布的重量在100～500g/m2之间。要求布面均匀、平整，无油渍等污染。
所述前处理理工艺为将原材料在碳化前采用浸渍特殊药剂进行处理并且在200℃左右的温度进行预氧化处理。药剂选用无机盐类，浓度在6～14Wt％之间，对溶解药剂所用水质有特殊要求。其中药剂用无机盐含有阴离子包括：H2PO4 -、PO4 3-、HPO4 2-、CI-；阳离子包括NH3 +、K+。根据工艺要求原料在药剂中的浸渍时间在数十分钟至数小时不等，浸渍药剂后的原料在120℃左右烘干炉进行烘干处理或自然干燥，保证原料干燥后的含水量控制在10％以内。
所述前处理工艺为将原料进入碳化设备进行碳化处理，碳化温度控制在250～500℃之间，最高温度不宜超过600℃，对升温速率加以控制，基本保证前高后低，前缓后急。根据工艺要求原料在炉体中的停留时间为25min-50min不等，原料在炉体中运行平稳，保持适度张力。
所述活化处理的活化温度控制在800～950℃之间，活化时间30min-60min，活化过程需要加入活化介质，根据不同电容器对电极的要求不同，在追求最大比表面积和同时，需要对最终产品的孔径和孔分布进行必要的控制，因此活化介质选用水蒸汽，并且在活化阶段的不同位置严格控制活化介质用量。
所述工艺流程的碳化和活化阶段都要对设备进行密封处理，一般采用N2进行密封，以保证生产过程气氛中的O2在合适的浓度范围，避免原料或产品在高温的含氧气氛中过度养化。
所述后处理工艺为对活性炭纤维布中的杂质(包括灰尘及有害金属元素)进行处理，一般采用强酸及强碱联合洗涤并用水洗至中性，在烘箱中进行烘干处理后可作为超级电容器的电极材料使用。
本专利技术生产的超级电容器专用活性炭纤维布电极材料，性能稳定，成本低廉，有很强的市场竞争优势。该产品比表面积可达到2000m2/g，中孔率可达到30％，并且根据不同规格电容器对电极材料的要求适当调整生产工艺以满足不同要求。可将活性碳纤维布裁切成为方型或圆形电极并分别组装成为卷绕式或纽扣式电容器。
附图说明
图1是本发明的扫描电静图；
图2是本发明的超级电容放电曲线图。
具体实施方式
本发明的目的是提出一种应用于超级电容器的活性碳纤维材料及其制造方法。该材料性能稳定，成本低廉，有很强的市场竞争优势。可组装成为储能密度高、放电功率大、循环寿命长、储电能力强的超级电容器，上述超级电容器有望在电子、汽车、航天、军事等多种领域获得广泛应用。本发明制备工艺具体说明如下；
1.原材料布织造工艺
所述炭纤维布的原材料选用粘胶纤维制成平纹布或斜纹布，布的重量在100～500g/m2之间，要求布面均匀、平整，无油渍等污染。布重量大厚度高，重量小厚度薄。活性碳纤维布厚度越薄导电率越高，越适合作为超级电容器电极材料。但是厚度较薄的活性碳纤维布材料结构强度较低，原材料布理想重量为200～300g/m2。
2.原料布浸渍工艺
所述浸渍工艺是将原材料在碳化前采用浸渍特殊药剂进行处理并且在200℃左右的温度进行预氧化处理。药剂选用无机盐类，浓度在6～14Wt％之间。其中药剂用无机盐含有阴离子包括：H2PO4 -、PO4 3-、HPO4 2-、CI-；阳离子包括NH3 +、K+。氯离子本身没有活化能力，仅作为催化添加剂，比例为0～15％。最佳浸渍方案为采用磷酸氢二铵与氯化钾混合浸渍剂，浸渍剂浓度为12％，其中氯化钾比例为10％。根据工艺要求原料在药剂中的浸渍时间在四十分钟至两小时不等，浸渍药剂后的原料在120℃左右烘干炉进行烘干处理或自然干燥，保证原料干燥后的含水量控制在10％以内。
3.原料布前处理工艺
所述前处理工艺为将原料进入碳化设备进行碳化处理，碳化温度控制在250～500℃之间，最高温度不宜超过600℃，最佳浸渍温度在280℃～320℃之间，对升温速率加以控制，基本保证前高后低，前缓后急。根据工艺要求原料在炉体中的停留时间为25min-50min不等，前处理过程中可通入N2，CO2等气氛，原料在炉体中应运行平稳，保持适度张力。
4.活化处理工艺
所述活化处理的活化温度控制在800～950℃之间，活化时间30min-60min，活化过程需要加入水蒸气活化介质，活化温度高利于提高比表面积，但过高温度易造成微孔结构塌陷。活化时间长则利于彻底活化，但容易造成活性碳纤维布得率降低。因此根据不同电容器对电极的要求不同，在追求最大比表面积和同时，需要对最终产品的孔径和孔分布进行必要的控制，并且在活化阶段的不同位置严格控制活化介质用量。理想活化温度为920℃，活化时间为50分钟，该条件制备的活性碳材料具有良好的电容特性。
所述工艺流程的碳化和活化阶段都要对设备进行密封处理，一般采用N2进行密封，以保证生产过程气氛中的O2在合适的浓度范围，避免原料或产品在高温的含氧气氛中过度养化。
5.后处理工艺
所述后处理工艺为对活性炭纤维布中的杂质(包括灰尘及有害金属元素)进行处理，一般采用10％盐酸或20％硫酸等强酸进行洗涤，然后将在沸腾的去离子水洗至中性，在烘箱中进行烘干处理后。
上述方法制备的活性碳纤维布(图.1)比表面积可达2000m2/g，中孔含量可达30％，可作为超级电容器的电极材料使用。采用该材料组成的20法拉电容器在不同放电电流下的放电曲线如图2所示，其具有储能密度大、放电功率高等特点，在多种领域具有广泛应用。

Claims (9)

1.一种超级电容器专用活性碳纤维布的制备方法，其特征在于采用粘胶纤维作为原理，采用磷酸胺盐和氯化钾的混合液作为浸渍剂进行进行浸渍处理，然后依次完成碳化前处理和活化后处理制备成为超级电容器专用活性碳纤维布电极材料。
2.根据权利要求1所述活性碳纤维布，其特征在于，原材料布由粘胶纤维制成，原布重量范围是100～500g/cm2，理想重量为200～300g/cm2。
3.根据权利要求1所述的活性碳纤维布，其特征在于，原材料在碳化前采用浸渍特殊药剂进行处理并且在200℃左右的温度进行预氧化处理。药剂选用无机盐类，浓度在6～14Wt％之间，理想浓度为12％。其中药剂用无机盐含有阴离子包括：H2PO4 -、PO4 3-、HPO4 2-、CI-；阳离子包括NH3 +、K+。
4.根据权利要求1所述的活性碳纤维布，其特征在于，浸渍剂由磷酸铵盐类和氯化钾盐类混合而成，其中氯化钾含量为0～15％。磷酸盐可以是磷酸铵、磷酸氢二铵或磷酸二氢铵以及上述三种盐的混合物，最佳浸渍方案为采用磷酸氢二铵与氯化钾混合浸渍剂，其中氯化钾比例为10％。
5.根据权利要求1所述的活性碳纤维布，其特征在于，浸渍药剂后的原料在120℃左右烘干炉进行烘干处理或自然干燥，保证原料干燥后的含水量控制在10％以内。
6.根据权利要求1所述的活性碳纤维布，其特征在于，所述前处理工艺为将原料进行碳化处理，碳化温度控制在250～500℃之间，最高温度不宜超过600℃，最佳碳化温度在280℃～320℃之间，对升温速率加以控制，基本保证前高后低，前缓后急。
7.根据权利要求1所述的活性碳纤维布，其特征在于，所述活化处理的活化温度控制在800～950℃之间，活化时间30min-60min，活化过程需要加入水蒸气活化介质。理想活化温度为920℃，活化时间为50分钟。
8.根据权利要求1所述的活性碳纤维布，其特征在于，所述工艺流程的碳化和活化阶段都要对设备进行密封处理，一般采用N2进行密封，以保证生产过程气氛中的O2在合适的浓度范围，避免原料或产品在高温的含氧气氛中过度养化。
9.根据权利要求1所述的活性碳纤维布，其特征在于，所述后处理工艺为对活性炭纤维布中的杂质包括灰尘及有害金属元素进行处理，一般采用10％盐酸或20％硫酸等强酸进行洗涤，然后将在沸腾的去离子水洗至中性，在烘箱中进行烘干处理后。
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