CN104649267A - 一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，以煅前石油焦和氢氧化钾为原料，通过粉碎、筛分、原料浸渍预处理、机械搅拌、高温活化以及水洗、酸洗、烘干工艺得到。该方法通过对原料粉碎、筛分、浸渍预处理、机械搅拌预活化、高温活化等工艺，使得采用石油焦制备活性炭活化工艺得到有效控制。该方法通过乙醇-水的混合溶剂浸渍工艺使得其炭碱比降至3.5，降低了设备腐蚀，同时制备的活性炭具有微孔分布集中，中孔率控制在20%-30%，孔径集中在2nm左右，有利于电解液在孔道中的嵌入，产品孔隙结构得到有效控制，同时产品振实密度稳定在0.3g/cm3以上，得到的活性炭制备超级电容器其比容量可达160F/g以上。
Description
技术领域
本发明属于材料科学及电化学中活性炭的制备方法技术领域，具体涉及一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法。
背景技术
超级电容器是一种新型储能装置，其性能介于蓄电池和传统电容器之间，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等优点，在电动汽车、航空航天、不间断电源等领域具有广阔的前景。活性炭成为商业化超级电容器的首选碳材料，源于其比表面积大，孔径可控，原料来源丰富且价格低廉，同时在电化学中具有很好的稳定性等特点。目前制作超级电容器用活性炭的制备方法主要是物理活化法、化学活化法以及物理-化学结合活化法。物理活化法其工艺特点是: 活化温度高、时间长, 能耗高, 与物理活化法相比, 化学活化法的工艺特点是：操作大大简化，活化温度降低，时间缩短，能耗降低。但同时也存在活化剂成本高、设备易腐蚀、孔结构不易控制等缺点，使得其在工业生产中产品性能受到限制，需进一步研究解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的问题而提供一种能提高活性炭基超级电容器比容量的活性炭制备方法，本发明利用乙醇和水混合溶剂浸渍法使得活化剂用量降低，减少设备腐蚀，同时使得制备的活性炭具有微孔分布集中、孔隙结构便于控制等优点。
为解决本发明的技术难题采用如下的技术方案：
一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，以煅前石油焦和氢氧化钾为原料，通过粉碎、筛分、原料浸渍预处理、机械搅拌、高温活化以及水洗、酸洗、烘干工艺得到，具体步骤如下：
a、将煅前石油焦经粉碎、过筛处理得到200-300目的煅前石油焦粉末；
b、将步骤a得到的煅前石油焦粉末与氢氧化钾混合均匀得到原料，其中煅前石油焦粉末：氢氧化钾质量比为2.5 - 4.5:1；
c、在步骤b中的原料中加入乙醇和水的混合溶剂后真空浸渍处理2-5h，其中乙醇和水的体积比为1:0.5-2，原料与混合溶剂的质量比为1:1-2，然后在100-120℃下将物料中的混合溶剂蒸干后置于预活化炉中预活化处理，在250-350℃温度时，使用机械搅拌设备对物料搅拌，搅拌时间25-45min，然后在惰性气体保护下升温至730-850℃进行活化处理得到活化产物，升温速率为3-4℃/min，活化时间为30-120min，最后冷却至室温；
d、冷却产物经热水、酸、去离子水洗至中性后烘干，经气旋式超细磨粉机处理到所需产物。
所述石油焦粉末:氢氧化钾质量比为3 - 3.5:1。
所述乙醇和水的体积比为1:1，原料与混合溶剂的质量比为1:1.5。
所述步骤c中预活化处理在280℃时使用机械搅拌设备对物料搅拌，搅拌时间30min。
所述步骤c中活化处理时温炉的温度为780℃。
本发明的目的是提供一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，该方法通过对原料粉碎、筛分、浸渍预处理、机械搅拌预活化、高温活化等工艺，使得采用石油焦制备活性炭活化工艺得到有效控制。该方法通过乙醇-水的混合溶剂浸渍工艺使得其炭碱比降至3.5，降低了设备腐蚀，同时制备的活性炭具有微孔分布集中，中孔率控制在20%-30%，孔径集中在2nm左右，有利于电解液在孔道中的嵌入，产品孔隙结构得到有效控制，同时产品振实密度稳定在0.3 g/cm3以上，得到的活性炭制备超级电容器其比容量可达160F/g以上。
具体实施方式
以下结合具体的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，以煅前石油焦（硫含量0.42%、灰分0.12%、挥发分11.15%、水分0.08%、含碳量88.65%）和氢氧化钾为原料，依次包括如下步骤：
步骤a、将煅前石油焦粉碎，筛分得到200目的煅前石油焦粉末；
步骤b、将煅前石油焦粉末与氢氧化钾按炭碱质量比2.5:1均匀混合得到原料；
步骤c、在步骤b中的原料中加入乙醇和水的混合溶剂后真空浸渍处理2h，乙醇和水的体积比为1:0.5，原料与混合溶剂的质量比为1:1.5，然后在110℃下将物料中的混合溶剂蒸干后置于预活化炉中，在280℃温度时，使用机械搅拌设备对物料搅拌，搅拌时间30min，然后在高温炉中升温至800℃在惰性气体保护下进行活化处理得到活化产物，活化时间为60min，升温速率为3℃/min，最后冷却至室温；
步骤d、冷却活化产物，经热水、酸、去离子水洗至中性，烘干，经气旋式超细磨粉机处理后即得到超级电容器用活性炭。
实施例2
一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，以煅前石油焦（硫含量0.42%、灰分0.12%、挥发分11.15%、水分0.08%、含碳量88.65%）和氢氧化钾为原料，依次包括如下步骤：
步骤a、将煅前石油焦原料粉碎，筛分得到300目的煅前石油焦粉末；
步骤b、将煅前石油焦粉末与氢氧化钾按碱炭质量比3:1均匀混合得到原料；
步骤c、在步骤b中的原料中加入乙醇和水的混合溶剂后真空浸渍处理5h，乙醇和水的体积比为1:2，原料与混合溶剂的质量比为1:1，然后在120℃下将物料中的混合溶剂蒸干后置于预活化炉中，在250℃温度时，使用机械搅拌设备对物料搅拌，搅拌时间45min，然后在惰性气体保护下升温至730℃进行活化处理得到活化产物，升温速率为3℃/min，活化时间为120min，最后冷却至室温；
步骤d、冷却活化产物，经热水、酸、去离子水洗至中性，烘干，经气旋式超细磨粉机处理后即得到超级电容器用活性炭。
实施例3
一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，以煅前石油焦（硫含量0.42%、灰分0.12%、挥发分11.15%、水分0.08%、含碳量88.65%）和氢氧化钾为原料，依次包括如下步骤：
步骤a、将煅前石油焦原料粉碎，磨粉，得到300目的煅前石油焦粉末；
步骤b、将煅前石油焦粉末与氢氧化钾按碱炭质量比3.5:1均匀混合得到原料；
步骤c、在步骤b中的原料中加入乙醇和水的混合溶剂后真空浸渍处理2h，乙醇和水的体积比为1:1，原料与混合溶剂的质量比为1:1.5，然后在100℃下将物料中的混合溶剂蒸干后置于预活化炉中，在280℃温度时，使用机械搅拌设备对物料搅拌，搅拌时间25min，然后在惰性气体保护下升温至780℃进行活化处理得到活化产物，升温速率为4℃/min，活化时间为30min，最后冷却至室温；
步骤d、冷却活化产物，经热水、酸、去离子水洗至中性，烘干，经气旋式超细磨粉机处理后即得到超级电容器用活性炭。
实施例4
一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，以煅前石油焦（硫含量0.42%、灰分0.12%、挥发分11.15%、水分0.08%、含碳量88.65%）和氢氧化钾为原料，依次包括如下步骤：
步骤a、将煅前石油焦原料粉碎，磨粉，得到200目的煅前石油焦粉末；
步骤b、将煅前石油焦粉末与氢氧化钾按碱炭质量比4.5:1均匀混合得到原料；
步骤c、在步骤b中的原料中加入乙醇和水的混合溶剂后真空浸渍处理5h，乙醇和水的体积比为1:1.5，原料与混合溶剂的质量比为1:2，然后在100℃下将物料中的混合溶剂蒸干后置于预活化炉中，在350℃温度时，使用机械搅拌设备对物料搅拌，搅拌时间40min，在惰性气体保护下升温至850℃进行活化处理得到活化产物，升温速率4℃/min，活化时间为30min，最后冷却至室温；
步骤d、冷却活化产物，经热水、酸、去离子水洗至中性，烘干，经气旋式超细磨粉机处理后即得到超级电容器用活性炭。
实施例5
一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，以煅前石油焦（硫含量0.42%、灰分0.12%、挥发分11.15%、水分0.08%、含碳量88.65%）和氢氧化钾为原料，依次包括如下步骤：
步骤a、将煅前石油焦原料粉碎，磨粉，得到200目的煅前石油焦粉末；
步骤b、将煅前石油焦粉末与氢氧化钾按碱炭质量比4.5:1均匀混合得到原料；
步骤c、在步骤b中的原料中加入乙醇和水的混合溶剂后真空浸渍处理5h，乙醇和水的体积比为1:1.5，原料与混合溶剂的质量比为1:2，然后在100℃下将物料中的混合溶剂蒸干后置于预活化炉中，在惰性气体保护下升温至780℃进行活化处理得到活化产物，升温速率4℃/min，活化时间为60min，最后冷却至室温；
步骤d、冷却活化产物，经热水、酸、去离子水洗至中性，烘干，经气旋式超细磨粉机处理后即得到超级电容器用活性炭。
电化学性能测试：
检验本发明中超级电容器用活性炭材料的性能，采用半电池测试方法，具体为：采用本发明中的活性炭样品、60％PTFE及导电乙炔黑，按85:10:5比例混合均匀，制备极片。分别组装水系和非水系超级电容器进行电化学性能测试。水系采用6mol/L的KOH作电解液溶液，组装对称扣式超级电容器。非水系超级电容器装配在充氩气的德国布劳恩手套箱中进行，电解液为新宙邦DLC306，组装对称扣式超级电容器，电化学性能测试在武汉市蓝电电子（CT2001A型）电池测试仪上进行，充放电电压范围为2.3-2.5V。
各实施例性能参数如下表所示：
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，其特征在于：以煅前石油焦和氢氧化钾为原料，通过粉碎、筛分、原料浸渍预处理、机械搅拌、高温活化以及水洗、酸洗、烘干工艺得到，具体步骤如下：
a、将煅前石油焦经粉碎、过筛处理得到200-300目的煅前石油焦粉末；
b、 将步骤a得到的煅前石油焦粉末与氢氧化钾混合均匀得到原料，其中煅前石油焦粉末：氢氧化钾质量比为2.5 - 4.5:1；
c、 在步骤b中的原料中加入乙醇和水的混合溶剂后真空浸渍处理2-5h，其中乙醇和水的体积比为1:0.5-2，原料与混合溶剂的质量比为1:1-2，然后在100-120℃下将物料中的混合溶剂蒸干后置于预活化炉中预活化处理，在250-350℃温度时，使用机械搅拌设备对物料搅拌，搅拌时间25-45min，然后在惰性气体保护下升温至730-850℃进行活化处理得到活化产物，升温速率为3-4℃/min，活化时间为30-120min，最后冷却至室温；
d、冷却产物经热水、酸、去离子水洗至中性后烘干，经气旋式超细磨粉机处理到所需产物。
2.根据权利要求1所述的一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，其特征在于：所述石油焦粉末:氢氧化钾质量比为3 - 3.5:1。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，其特征在于：所述乙醇和水的体积比为1:1，原料与混合溶剂的质量比为1:1.5。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，其特征在于：所述步骤c中预活化处理在280℃时使用机械搅拌设备对物料搅拌，搅拌时间30min。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于制作超级电容器用活性炭的制备方法，其特征在于：所述步骤c中活化处理时温炉的温度为780℃。
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