CN105236407A - 双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法,特别在于活性炭材料制备的活化方法,将喷雾干燥好的淀粉,在惰性气氛下升温稳定化处理,得到具有初级孔结构的淀粉基炭微球;将淀粉基炭微球研碎,与活化剂混合均匀,在惰性气氛下升温活化;再通入氧化性气体,升温活化,冷却后取出,得到淀粉基活性炭微球粗品,将淀粉基活性炭微球粗品洗涤至中性,烘干得到灰飞含量低的球形活性炭。本发明一方面降低了活化剂如酸、碱性试剂的用量,节约了生产成本;另一面方面又降低了酸、碱等化学试剂对环境的污染,满足环保的要求。同时,使用该复合活化法制备的活性炭具有较高的比表面积和优异的电化学性能。
Description
技术领域
本发明属于超级电容器电极材料制备技术,涉及双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法。
背景技术
双电层电容器是电化学电容器(又称超级电容器)中的一种。双电层电容器通过在高比表面积碳电极的表面发生快速、可逆的电荷吸附/脱附过程进行能量的储存和释放,其能量密度是传统的静电电容器的10~100倍,功率密度是电池的10~100倍。
特别地,为了增加双电层电容器中的能量密度,即电容量,已将结晶度高和表面积大的活性炭用作电容器电极材料。近年来,炭材料因其来源丰富、成本低廉、有发达的孔结构和较大的比表面积及具有良好的充放电稳定性,已经作为超级电容器的首选。活性炭是通过活化木屑、锯屑、果壳、淀粉等植物系的碳化物,煤、沥青、焦炭系的碳化物或酚醛树脂等合成高分子系的碳化物而造的。而对于活性炭的工业生产,通常使用活化方法。
而作为活化方法,通常用化学方法如碱类KOH或NaOH(也包括一切碱性盐类如铵盐等)、酸类如磷酸、硝酸试剂(包括路易士酸如ZnCl2)活化,目前应用较多、较成熟的化学活化剂有:ZnCl2、KOH、H3PO4;或者物理活化法如用二氧化碳、空气或水蒸气作为氧化气体在600~1200℃与炭料反应,在材料表面形成发达的孔结构。用物理活化法制备活性炭污染小,但因活化过程要求的活化温度高、活化时间较长,这些因素限制其广泛应用。其中,碱性活化是用于形成活性碳的一种方法。其依赖于使得含碳前躯体化合物在高温惰性气氛中碳化,然后进行化学活化,通常采用KOH或NaOH。碱性活化的一个主要缺点在于会作为反应副产物产生碱金属,它会挥发并在工艺设备的较冷区域中冷凝。这对于大规模生产造成了明显的安全危害。另外,用碱金属活化剂活化碳材料来生产双电层电容器电极用活性炭的方法中,活化剂通常以要与其混合的碳材料的2至6重量份的量来使用,特别地,为得到大比表面积如2000至3000m2/g的范围时,必须在大的“活化剂/碳材料”比下才能实现。然而,由于碱金属活化剂占生产成本的比例大,因此需要使用的碱金属活化剂的比例最小化,才能既环保又经济。
另有中国专利号为,200810053417.9,公开了一种淀粉基高比表面积活性炭微球的制备方法,属于活性炭微球的制备技术。该方法过程包括:以禾谷类淀粉、薯类淀粉、豆类淀粉以及香蕉和芭蕉的果实类淀粉为原料,原料在氧化气氛中进行恒温氧化处理;将氧化淀粉在氮气保护下,在炭化炉中进行炭化处理,制得保持原淀粉颗粒形状的淀粉基炭微球;将制得的炭微球与活化剂进行混合浸渍,烘干,将得到的混合物在氮气保护下,在活化炉中进行活化处理;活化后产物经洗涤、离心分离、干燥,即得淀粉基高比表面积活性炭微球。中国专利号为201110068703.4,公开的超级电容器活性炭/碳纳米管复合电极的制备方法,步骤包括:将禾谷类淀粉烘干放入碳化炉,在氮气保护下,恒温热处理得淀粉基碳;将制得的淀粉基炭和ZnCl2以及FeCl3混合均匀、烘干,在惰性气氛中活化,通入乙炔气体,制得淀粉基活性炭/碳纳米管复合材料;将制得的淀粉基活性炭/碳纳米管复合材料与PVDF混合,加入N-甲基吡咯烷酮搅拌成浆料状,均匀涂覆在泡沫镍上,烘干,压片得到超级电容器活性炭/碳纳米管复合电极片。上述专利都是直接将淀粉在碳化炉进行碳化处理得到淀粉基炭,淀粉中的纤维素等的羟基不易脱水,易于向左旋葡萄糖转化,淀粉的碳化率低。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷,本发明提供一种双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法,其目的是提供一种既节能又环保的活性炭活化方法,选择化学-物理复合活化法制备活性炭,通过改进活化工艺制备比表面积大、孔径分布合理、适合作为电极材料的球形活性炭。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将喷雾干燥好的淀粉,在惰性气氛下升温至150~500℃进行稳定化处理4~12小时,得到具有初级孔结构的淀粉基炭微球;
(2)将淀粉基炭微球研碎,与活化剂按质量比为1:10~1混合均匀,烘干水分后,在惰性气氛下升温至500~800℃进行活化,活化时间2~6小时;
(3)再通入氧化性气体,升温至900℃,活化时间1~4h,冷却后取出,得到淀粉基活性炭微球粗品;
(4)将步骤(3)所制备的淀粉基活性炭微球粗品,洗涤至PH值为6.5~7.5,烘干,得到灰飞含量低的球形活性炭。
所述活化剂为碱性活化剂或酸性活化剂。
所述的碱性活化剂包括氢氧化钾,氢氧化钠,氢氧化钙,碳酸钠,碳酸氢钠,氧化钠或氨水溶液。
所述的酸性活化剂包括磷酸,硫酸,盐酸,硝酸,磷酸氢铵,磷酸二氢铵,氯化铵或氯化锌。
所述的氧化性气体包括水蒸气、二氧化碳或过氧化氢。
所述步骤(4)中的洗涤方式为:先用大量的热水洗涤,除去大部分活化残留试剂,再用少量的稀酸液或碱液洗涤至中性,最后用大量的蒸馏水洗涤。使用酸洗涤时,酸的浓度控制在10%以下,可以有效地除去碱金属氢氧化物及氧化物。酸类洗剂可以是:硝酸、磷酸、硫酸、盐酸等无机酸,其中,优选盐酸洗涤,为了降低环境污染的酸的用量,可用热水反复洗涤3~5次。使用碱洗时,碱的浓度控制在10%以下,可以有效去除少量残余的酸或酸性氧化物,碱类试剂可以是饱和碳酸钠、碳酸氢钠、亚硫酸钠等碱性类盐溶液。同样,为了降低环境污染碱的用量,可用热水反复洗涤3~5次。
发明内容一方面包括磷酸类酸性试剂+水蒸气等化学-物理复合法,将所述第一材料淀粉焦与第二材料磷酸类试剂混合,400~900℃高温活化,形成初级孔结构的活性炭后,再通入水蒸气或其他氧化性气体二次活化,形成孔结构丰富的球形活性炭;发明内容另一方面包括碱类试剂+水蒸气或其他氧化性气体进行化学-物理活化;发明还包括两种碱或化学试剂混合,如KOH/NaOH+CO2等化学-物理活化法。
步骤(2)中碱类活化剂的浓度在0.02mol/L~1mol/L之间,优选为0.1mol/L~0.6mol/L,更优选为0.3mol/L,酸类活化剂的浓度在0.1~30wt%之间;优选为1~10wt%,更优选为5wt%。优选碱类试剂为KOH、NaOH或两种的混合物;优选酸为磷酸、磷酸二氢铵。
在一些实施方式中,碱性化合物包括KOH、K2CO3、KHCO3、KCl、NaOH、Na2CO3、Na2O、NaHCO3、Ca(OH)2、ZnCl2、NaCl或MgCl2等。
在一些实施方式中,酸性化合物包括一切PH值在7以下的酸或者盐,如磷酸,硫酸,硝酸,磷酸氢氨,磷酸二氢氨等。
在一些实施方式中,氧化性气体包括CO2、H2O、空气、氧气、过氧化氢或其他管道气体。
本发明中,所述淀粉是薯类淀粉、豆类淀粉以及香蕉和芭蕉的果实类淀粉。薯类淀粉可以是马铃薯、玉米、小麦或木薯淀粉等。
本发明具有以下优点:
本发明的化学-物理复合活化法将传统的化学活化法和物理活化法的优点结合起来,相较于现有专利,一方面大大降低了活化剂如酸、碱试剂的用量,降低了生产成本;另一方面,由于活化试剂量的减少,从而可降低后续碱金属处理环节中酸处理的用量,既降低了生产成本又减少了对环境的污染。
本发明的另一个显著优点是:两种活化方法结合后,能得到比表面积大、中孔占比高,均一稳定性好、压实密度大、电解液浸润性好、易于加工的椭球形活性炭。由于单纯的化学活化对炭表面刻蚀较快,孔体积较大;而单纯的物理活化需要较高的活化温度和较长的活化时间,且成孔主要以微孔为主,使用物理-化学复合活化法则能兼顾大孔、中孔、微孔的分布。
本发明还具备活化方法易于调整、工艺可控的优点。活化前对原料进行化学改性浸渍处理,可提高原料活性并在材料内部形成传输通道,有利于气体活化剂进入孔隙内刻蚀。可通过控制浸渍比和浸渍时间制得孔径分布合理的活性炭材料。
具体实施方式
实施例1
双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将淀粉溶于适量蒸馏水中,配成淀粉溶液,喷雾干燥,然后将干燥的淀粉置于管式电阻炉中,在惰性气氛下升温至150~500℃进行稳定化处理4~12小时,得到具有初级孔结构的淀粉基炭微球;
(2)用研钵或球磨机将淀粉基炭微球研碎,以质量比KOH:淀粉为5/1的比例,把淀粉加到KOH饱和溶液中,搅拌均匀后浸泡1h。然后在磁力搅拌下,于80~100℃蒸发掉大部分水分,再放入100℃的烘箱中烘干。将烘干水分的淀粉置于电阻炉中活化,惰性气氛下活化温度为500℃,活化时间为6h。
(3)将惰性气体切换成水蒸气进行二次活化,活化时间1h,升温至900℃。冷却后取出,得到淀粉基活性炭微球粗品。
(4)将步骤(3)所制备的淀粉基活性炭微球粗品,在磁力搅拌下搅拌下经热水预洗3~5次后,再用10wt%的稀盐酸洗涤后经蒸馏水洗涤,搅拌12h。最后经蒸馏水洗涤至PH值为中性为止,过滤,在120℃下烘干,得到灰飞含量低的球状淀粉活性炭产品AC-1。
实施例2
(1)将淀粉溶于适量蒸馏水中,配成淀粉溶液,喷雾干燥,然后将干燥的淀粉置于管式电阻炉中,在惰性气氛下升温至150~500℃进行稳定化处理4~12小时,得到具有初级孔结构的淀粉基炭微球;
(2)用研钵或球磨机将淀粉基炭微球研碎,以质量比KOH:淀粉焦为3/1的比例,把淀粉焦加到KOH饱和溶液中,搅拌均匀后浸泡1h,然后在磁力搅拌下,于80~100℃蒸发掉大部分水分,再置入100℃的烘箱中烘干,将烘干水分的淀粉置于电阻炉中活化,惰性气氛下活化温度为800℃,活化时间为1h。
(3)将惰性气体切换成二氧化碳进行二次物理活化,活化时间2h,升温至900℃,冷却后取出,得到灰飞含量低的球状淀粉活性炭产品(淀粉基活性炭微球粗品)。
(4)将步骤(3)所制备的淀粉基活性炭微球粗品,在磁力搅拌下搅拌下经热水预洗3~5次后,再用5wt%的稀盐酸洗涤后经蒸馏水洗涤,搅拌12h。最后经蒸馏水洗涤至中性为止,过滤,在120℃下烘干,得到灰飞含量低的球状淀粉活性炭产品AC-2。
实施例3
(1)将淀粉溶于适量蒸馏水中,配成淀粉溶液,喷雾干燥,然后将干燥的淀粉置于管式电阻炉中,在惰性气氛下升温至150~500℃进行稳定化处理4~12小时,得到具有初级孔结构的淀粉基炭微球;
(2)用研钵或球磨机将淀粉基炭微球研碎,以质量比KOH、NaOH混合物:淀粉焦为10/1的比例,把淀粉焦加入到KOH、NaOH的饱和溶液中,搅拌均匀后浸泡1h。然后在磁力搅拌下,于80~100℃蒸发掉大部分水分,再置入100℃的烘箱中烘干,将烘干水分的淀粉置于电阻炉中活化,惰性气氛下活化温度为600℃,活化时间为4h。
(3)将惰性气体切换成过氧化氢进行二次物理活化,活化时间3h,升温至900℃,冷却后取出,得到淀粉基活性炭微球粗品。
(4)将步骤(3)所制备的淀粉基活性炭微球粗品,在磁力搅拌下搅拌下经热水预洗3~5次后,再用10wt%的稀盐酸洗涤后经蒸馏水洗涤,搅拌12h,最后经蒸馏水洗涤至PH值为中性为止,过滤,在120℃下烘干,得到灰飞含量低的球状淀粉活性炭产品AC-3。
实施例4
(1)将淀粉溶于适量蒸馏水中,配成淀粉溶液,喷雾干燥,然后将干燥的淀粉置于管式电阻炉中,在惰性气氛下升温至150~500℃进行稳定化处理4~12小时,得到具有初级孔结构的淀粉基炭微球;
(2)用研钵或球磨机将淀粉基炭微球研碎,然后与ZnCl2溶液按淀粉:ZnCl2物质的量比为1:3比例混合,在磁力搅拌下搅拌1h,以使其浸泡混合均匀。然后在磁力搅拌下,于80~100℃蒸发掉大部分水分,再置入100℃的烘箱中烘干,将烘干水分的淀粉置于电阻炉中活化,惰性气氛下活化温度为500~800℃,活化时间为1~6h。
(3)将惰性气体切换成CO2气体进行二次物理活化,活化时间3h,升温至900℃,冷却后取出,得到淀粉基活性炭微球粗品。ZnCl2活化后的活性炭经CO2二次物理活化后,比表面积、孔体积、比容量、电容特性都得一定的改善。
(4)将步骤(3)所制备的淀粉基活性炭微球粗品,在磁力搅拌下搅拌下经热水反复洗涤3~5次后,再经蒸馏水洗涤至PH值为中性为止,过滤,在120℃下烘干,即得到球状淀粉活性炭产品。或者在磁力搅拌下经热水反复洗涤3~5次后,用弱碱性物质如饱和碳酸钠溶液洗涤,再经蒸馏水洗涤至中性为止。得到球形活性炭AC-4。
实施例5
(1)将淀粉溶于适量蒸馏水中,配成淀粉溶液,喷雾干燥,然后将干燥的淀粉置于管式电阻炉中,在惰性气氛下升温至150~500℃进行稳定化处理4~12小时,得到具有初级孔结构的淀粉基炭微球;
(2)用研钵或球磨机将淀粉基炭微球研碎,然后将淀粉浸泡在磷酸溶液(80wt%)中并充分搅拌,活化剂比例为1:4,浸泡12后放入烘箱内烘干,于80~100℃蒸发掉大部分水份,再置入100℃的烘箱中烘干,将烘干水分的淀粉置于电阻炉中活化,惰性气氛下活化温度为350~800℃,升温速率为5℃/min,活化时间为1~6h。
(3)将惰性气体切换成水蒸气H2O进行二次物理活化,活化时间3h,升温至900℃,冷却后取出,得到淀粉基活性炭微球粗品。
(4)将步骤(3)所制备的淀粉基活性炭微球粗品,在磁力搅拌下搅拌下经热水反复洗涤3~5次后,再经蒸馏水洗涤至中性为止,过滤,在120℃下烘干,即得到球状淀粉活性炭产品。或者在磁力搅拌下经热水反复洗涤3~5次后,用弱碱性物质如饱和碳酸钠溶液洗涤,再经蒸馏水洗涤至中性为止,得到球形活性炭AC-5。
将实施例1-5制得的淀粉基活性炭进行比表面积及孔结构参数测试,并将所制备的炭材料与粘结剂PVDF或SBR按质量比7:3~9:1混合,然后加入混合物总量6~12倍的N-甲基吡咯烷酮(NMP),搅拌成浆料状,均匀的涂覆在集流体泡沫镍上,在60~120℃下烘干,用粉末压片机在6MPa-20MPa下保压30s,得到超级电容器活性炭电极片,并进而制成扣式超级电容器考察其电化学性能。其物化性能参数详见表1。
表1不同原料所制活性炭的孔结构参数及其电化学性能指标:
从表1中可以看出,经化学-物理活化后,所制备的球形活性炭具有高的比表面积,基本集中在2000~2500m2/g左右;炭的孔径尺寸调控得较为均匀,对电化学性能贡献最大的中孔率占比最高,几乎占到50%。因而材料在电容器中表现出优异的电化学性能,其质量比容量最大可达386F/g左右,相应的能量密度最高可达11.3Wh/Kg。
Claims (6)
1.双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将喷雾干燥好的淀粉,在惰性气氛下升温至150~500℃进行稳定化处理4~12小时,得到具有初级孔结构的淀粉基炭微球;
(2)将淀粉基炭微球研碎,与活化剂按质量比为1:10~1混合均匀,烘干水分后,在惰性气氛下升温至500~800℃进行活化,活化时间4~6小时;
(3)再通入氧化性气体,升温至900℃,活化时间1~4h,冷却后取出,得到淀粉基活性炭微球粗品;
(4)将步骤(3)所制备的淀粉基活性炭微球粗品,洗涤至PH值为6.5—7.5,烘干,得到球形活性炭。
2.根据权利要求1所述的双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法,其特征在于:所述活化剂为碱性活化剂或酸性活化剂。
3.根据权利要求2所述的双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法,其特征在于:
所述的碱性活化剂包括氢氧化钾,氢氧化钠,氢氧化钙,碳酸钠,碳酸氢钠,氧化钠或氨水溶液。
4.根据权利要求2所述的双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法,其特征在于:
所述的酸性活化剂包括磷酸,硫酸,盐酸,硝酸,磷酸氢铵,磷酸二氢铵,氯化铵或氯化锌。
5.根据权利要求1所述的双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法,其特征在于:所述的氧化性气体包括水蒸气、二氧化碳或过氧化氢。
6.根据权利要求1所述的双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中的洗涤方式为:先用大量的热水洗涤,再用少量的酸液或碱液洗涤至PH值为中性,最后用大量的蒸馏水洗涤。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160113 |