CN101844765B - 用于制备超级电容器炭电极的活性炭及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制备超级电容器炭电极的活性炭及其制备方法。所述的活性炭，颗粒的平均粒径为15～30μm，比表面积为3000～3400m2/g、颗粒中孔径为2～5nm的孔道占有率为25％～32％。其制备过程：以两亲性炭材料为前躯体与KOH及去离子水混合搅拌制溶液，溶液经烘干得固体混合物，再经活化、洗涤及干燥过程制得活性炭。本发明优点，制备过程简单，两亲性炭材料溶于水，易于与KOH均匀混合，这不但减少了KOH用量，而且提高活化过程均匀性和高效性。制得的活性炭比表面积大，颗粒中的孔径为2～5nm的孔道占有率高，用于制造超级电容器电极比电容量大，大电流性能优良。

Description

用于制备超级电容器炭电极的活性炭及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于制备超级电容器炭电极的活性炭及其制备方法，属于超级电容器电极技术。
背景技术
超级电容器兼有普通电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点，可以快速充放电而且寿命长，被认为是介于二次电池和电容器之间的一种储能器件。它的电容量大，漏电流小，电压记忆性好，充放电简单而且循环次数多。可用于微型计算机存储器的后备电源、汽车启动装置及太阳能、风能等洁净能源系统，成为近几年广为关注的研究热点。
多孔炭材料以其低廉的价格、高的比表面积、可控的孔隙结构和良好的物理化学稳定性在超级电容器领域内倍受关注。由于多孔炭的原料来源广泛，国内外学者选用不同的碳质前驱体、经过特定的热处理过程制备具有一定比表面积和孔径分布的多孔炭，进而应用于超级电层电容器的研究。
目前超级电容器炭基电极的原料主要源于燃料类、植物类和高分子类，研究人员选取优质的碳质前驱体进行了大量的研发工作。其中，化石燃料类前躯体(包括煤、石油焦、针状焦等)由于其原料来源丰富、价格低廉、含碳量高、挥发分和灰分低等优点，成为具有工业化前景以及科研价值的炭基电极前躯体。凌立成等在“一种高比能量超级电容器碳质电极材料的制备方法”(CN101295587)中，以石油焦为前躯体，通过KOH化学活化，得到粒径为4～30μm的超级电容器碳质电极材料。Mitani等用针状焦为前躯体，通过NaOH活化得到了比表面积1000m2/g，在有机系电解液中比电容为38.7F/g的超级电容器电极材料。江奇等(CN1778675)在“一种双电层电容器电极用的活性碳材料的制备方法”中，用多种化学试剂对炭前躯体进行活化，成功制备出低成本高比表面积的活性炭超级电容器电极材料。然而上述方法中，由于前躯体本身的粒径较大(微米级别)，活化过程中活化剂到达颗粒内部以及活化生成的轻组分扩散到颗粒外需要一定的时间。这种活化过程往往是不均匀的，而且生成的轻组分有可能在颗粒内部热解，堵塞已经生成的微孔结构。因此，为了得到高比表面积大容量的活性炭电极材料，需要用到较大量的活化剂，造成了高成本以及环境污染等问题。此外，由传统前躯体得到的活性炭通常是微孔材料，这些材料组装的超级电容器在大电流充放电情况下的速率性能下降是很明显的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于制备超级电容器炭电极的活性炭及其制备方法。该活性炭的颗粒中孔径为2～5nm的孔占有率高，比表面积和比电容量大。其制备过程简单、使用活化剂量少、绿色环保。
本发明是通过下述技术方案加以实现的：一种用于制备超级电容器炭电极的活性炭，其特征在于，颗粒的平均粒径为15～30μm，比表面积为3000～3400m2/g、颗粒中孔径为2～5nm的孔道占有率为25％～32％。
上述的用于制备超级电容器炭电极的活性炭制备方法，其特征在于包括以下过程：
1.将煤沥青基、石油沥青基、中间相沥青基、石油焦基、针状焦基和沥青焦基的两亲性炭材料之中的一种，与KOH按质量比为1∶2～4混合并加入去离子水中，去离子水的用量为两亲性炭材料质量的15～20倍，然后，以200～500r/min的搅拌速率搅拌0.5～3小时得两亲性炭材料溶液；
2.将步骤1制得的两亲性炭材料溶液置于温度为80～120℃真空干燥箱中烘干6～24h，得固体混合物；
3.将步骤2制得的固体混合物加入活化炉中，在氮气的保护下，以1～20℃/min的升温速率升至温度700～900℃，恒温活化0.5～2h，然后自然冷却至室温，得活化混合物；
4.对步骤3制得的活化混合物用浓度0.5～2mol/L的盐酸洗涤直至洗涤液呈pH值为1～2，然后继续用去离子水洗涤直到洗涤液呈中性，然后置于温度为100～120℃真空干燥箱中烘干6～10h，制得活性炭材料。
本发明具有如下优点，制备过程简单，前躯体为两亲性炭材料，由于两亲性炭材料能够溶于水，则易于与KOH均匀混合，这不但可相应减少KOH用量，而且显著地提高活化过程均匀性和高效性。所制得的活性炭材料比表面积大，颗粒中的孔径为2～5nm的孔道占有率高，该结构活性炭用于制造超级电容器电极比电容量大，大电流性能优良。
附图说明
图1是本发明实施例2制备的活性炭材料的透射电镜照片。
图2是本发明实施例2制备的活性炭材料的通过低温氮吸附测试得到的颗粒中孔径分布图。
图3是以本发明实施例2制备的活性炭材料制作超级电容器电极在电流密度50mA/g下的充放电曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
1.以煤沥青为原料，采用通用的公知制备方法制备两亲性炭材料，具体制备过程如下：将100mL混酸(以质量浓度为65％的浓硝酸和质量浓度为98％的浓硫酸体积比为3∶7配制)加热到80℃，以300r/min的搅拌速率搅拌，加入10g煤沥青，反应1h，将反应物倒入1L去离子水中终止反应，采用减压过滤装置过滤，所得滤饼用去离子水洗涤至中性；将得到的固体物质加入到500ml浓度1mol/L的NaOH溶液中，在80℃下以300r/min的转速搅拌1h，减压过滤，在此过程中保持溶液的pH值始终大于12；收集滤液，在得到的滤液中滴加1mol/L的HCl，调节其pH值至1，此时有沉淀生成；离心分离，将得到的沉淀物用去离子水洗涤至中性，在烘箱中100℃烘干10h，即得煤沥青基两亲性炭材料。
2.取步骤1制得的5g煤沥青基两亲性炭材料与10g的KOH溶于70ml去离子水中，以转速300r/min搅拌1h，然后置于80℃烘箱内干燥15h。将得到的混合物置于高温活化炉中，在氮气在保护下，以5℃/min的升温速率升温至700℃，恒温1h后，自然冷却至室温；将活化处理后的产物用浓度0.5mol/L的盐酸洗涤至pH值为1，然后继续用去离子水洗涤直到样品呈中性，然后置于温度为100℃真空干燥箱中烘干10h，即活性炭材料。低温氮吸附经测试表明，该活性炭比表面积高达3000m2/g孔径2～5nm的中孔所占比例为24％。
3.取步骤2制得的0.6g活性炭，按质量比为85∶10∶5将活性炭、导电炭黑、聚四氟乙烯均匀混合，以20MPa的压力将混合物压到泡沫镍集电体上，制备成超级电容器电极片，再以6mol/L KOH水溶液为电解液，聚丙烯薄膜为隔膜，组装成扣式电容器。经测试，该超级电容器活性炭电极材料在放电电流密度50mA/g下比电容量达330F/g，电流密度1000mA/g下比电容288F/g。
实施例2
1.不同之处在于初始原料为针状焦按照实施例1步骤1的方法制备两亲性炭材料。
2.取步骤1制得的3g针状焦基两亲性炭材料与12g的KOH溶于50ml去离子水中，以转速400r/min搅拌1.5h，然后置于120℃烘箱内干燥10h。将得到的混合物置于高温活化炉中，在氮气在保护下，以10℃/min的升温速率升温至800℃，恒温1h后，自然冷却至室温；然后将活化处理后的产物用浓度1mol/L的盐酸洗涤至pH值为1，然后继续用去离子水洗涤直到样品呈中性，然后置于温度为1100℃真空干燥箱中烘干8h，即活性炭材料。低温氮吸附经测试表明，该活性炭比表面积高达3348m2/g，孔径2～5nm的中孔所占比例为27％。
3.取步骤2制得的0.8g活性炭，按质量比为85∶10∶5将活性炭、导电炭黑、聚四氟乙烯均匀混合，以20MPa的压力将混合物压到泡沫镍集电体上，制备成超级电容器电极片，再以6mol/L KOH水溶液为电解液，聚丙烯薄膜为隔膜，组装成扣式电容器。经测试，该超级电容器活性炭电极材料在放电电流密度50mA/g下比电容量达348F/g，电流密度1000mA/g下比电容300F/g。
实施例3
1.不同之处在于初始原料为石油焦按照实施例1步骤1的方法制备两亲性炭材料。
2.取步骤1制得的4g石油焦基两亲性炭材料与12g的KOH溶于60ml去离子水中，以转速500r/min搅拌3h，然后置于100℃烘箱内干燥20h。将得到的混合物置于高温活化炉中，在氮气在保护下，以3℃/min的升温速率升温至800℃，恒温1h后，自然冷却至室温；然后将活化处理后的产物用浓度2mol/L的盐酸洗涤至pH值为1，然后继续用去离子水洗涤直到样品呈中性，然后置于温度为120℃真空干燥箱中烘干6h，即活性炭材料。低温氮吸附经测试表明，该活性炭比表面积高达3316m2/g，孔径2～5nm的中孔所占比例为30％。
3.取步骤2制得的0.7g活性炭，按质量比为85∶10∶5将活性炭、导电炭黑、聚四氟乙烯均匀混合，以20MPa的压力将混合物压到泡沫镍集电体上，制备成超级电容器电极片，再以6mol/L KOH水溶液为电解液，聚丙烯薄膜为隔膜，组装成扣式电容器。经测试，该超级电容器活性炭电极材料在放电电流密度50mA/g下比电容量达337F/g，电流密度1000mA/g下比电容290F/g。
实施例4
1.不同之处在于初始原料为中间相沥青按照实施例1步骤1的方法制备两亲性炭材料。
2.取步骤1制得的5g两亲性炭材料与15g的KOH溶于60ml去离子水中，以转速350r/min搅拌2h，然后置于110℃烘箱内干燥10h。将得到的混合物置于高温活化炉中，在氮气在保护下，以5℃/min的升温速率升温至750℃，恒温2h后，自然冷却至室温；然后将活化处理后的产物用浓度0.5mol/L的盐酸洗涤至pH值为1，然后继续用去离子水洗涤直到样品呈中性，然后置于温度为120℃真空干燥箱中烘干6h，即活性炭材料。低温氮吸附经测试表明，该活性炭比表面积高达3126m2/g，孔径2～5nm的中孔所占比例为32％。
3.取步骤2制得的0.6g活性炭，按质量比为85∶10∶5将活性炭、导电炭黑、聚四氟乙烯均匀混合，以20MPa的压力将混合物压到泡沫镍集电体上，制备成超级电容器电极片，再以6mol/L KOH水溶液为电解液，聚丙烯薄膜为隔膜，组装成扣式电容器。经测试，该超级电容器活性炭电极材料在放电电流密度50mA/g下比电容量达332F/g，电流密度1000mA/g下比电容

Claims (1)

1.一种用于制备超级电容器炭电极的活性炭制备方法，所述的活性炭，颗粒的平均粒径为15～30μm，比表面积为3000～3400m2/g，颗粒中孔径为2～5nm的孔道占有率为25％～32％，其特征在于包括以下过程：
1)将煤沥青基、中间相沥青基、石油焦基和针状焦基的两亲性炭材料之中的一种，与KOH按质量比为1∶2～4混合并加入去离子水中，去离子水的用量为两亲性炭材料质量的15～20倍，然后，以200～500r/min的搅拌速率搅拌0.5～3小时得两亲性炭材料溶液；
2)将步骤1)制得的两亲性炭材料溶液置于温度为80～120℃真空干燥箱中烘干6～24h，得固体混合物；
3)将步骤2)制得的固体混合物加入活化炉中，在氮气的保护下，以1～20℃/min的升温速率升至温度700～900℃，恒温活化0.5～2h，然后自然冷却至室温，得活化混合物；
4)对步骤3)制得的活化混合物用浓度0.5～2mol/L的盐酸洗涤直至洗涤液呈pH值为1～2，然后继续用去离子水洗涤直到洗涤液呈中性，然后置于温度为100～120℃真空干燥箱中烘干6～10h，制得活性炭材料。
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