CN110642249B - 一种碳基电极材料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种碳基电极材料的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳基电极材料的制备方法及其应用，属于电极材料领域。本碳基电极材料的制备方法包括：取生物质废料，将其裁切为所需形状或造型，得带有形状或造型的生物质材料；将带有形状或造型的生物质材料干燥，得带有固定形状或造型的生物质材料；将带有固定形状或造型的生物质材料直接放入管式炉中，在保护气体氛围下进行加热碳化处理，处理后在保护气体氛围下冷却到室温，即得整块的碳基电极材料。本发明提供的碳基电极材料的制备方法简单，原料丰富，价格低廉，绿色环保，获得的碳基电极材料没有使用化学活化剂，形状可定制，具有相互连通的分级多孔体系，较高的比表面积，同时展现了优异的电容存储能力和循环稳定性。

Description

一种碳基电极材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种碳基电极材料的制备方法及其应用，属于电极材料技术领域。
背景技术
社会的快速发展需要大量的资源消耗和能源支撑，导致了化石燃料的过渡开采，进而产生了严重的环境污染和大量的社会问题。目前利用可再生资源取代传统的化石燃料被认为是最有前途的方式之一。生物质材料是一种绿色可再生的资源，充分的利用生物质资源能够有望从根本上解决环境问题。同时生物质资源来源于光合作用的积累，因此它巨大的储量完全能够满足人类社会的需求。生物质衍生的碳基超级电容器是生物质资源高附加值利用的一种很有前景的方式。
现有关于生物质制备碳电极的技术，通常将生物质制成干燥的粉末，再通过碳化获得碳粉末，进一步再向这些碳粉末中添加化学活化剂进行活化过程制备成多孔碳基电极材料。如果进一步制备电极的话，还需要在多孔碳中加入粘结剂。在这些研究中，生物质材料仅仅只是提供碳元素一种作用，化学活化剂的使用不仅会导致较低的多孔碳产率，而且会产生一些污染和后续处理的问题。因此，综合全面的利用生物质对于生物质衍生碳基电极的发展具有重要的实际意义。
近年来，可穿戴和便携电子产品的发展要求全固态超级电容器具有更高的电容储量和可定制的形状。通常使用的柔性电极可以实现形状的改变，但为了高容量需要加厚电极，而现有碳电极技术制备超过100μm的电极是困难的，因为普通粉末多孔碳材料制成的电极是通过粘结剂粘在一起的，这种电极一体性不行，并且过厚会导致电极中离子和电子传输急剧的降低，这种降低超出了正常的衰减范围，严重影响了电化学性能。使其性能通常还不如同样薄电极的性能好。所以现有技术会制备几十微米厚的电极，既保证能量密度也保证不会严重衰减。
通常有定向孔道的全固态电极有着较好的离子传输效率，但是它们通常是平直不可弯曲的，难以满足实际电子设备中复杂构造的要求。导致传统生物质化学活化制备的多孔碳粉末，很难同时满足厚电极和形状定制的要求。
发明内容
本发明人发现，橙子皮、柚子皮、橘子皮和香蕉皮这类生物质废料除了具有碳元素外，内部还具有一些独特的连通孔结构和对于形成多孔结构有益的化学成分(生物酸和金属元素)。酸性环境和金属离子能够有效地促进多孔结构的形成。因此，上述生物质废料可以通过自活化作用，在高温处理下同时实现碳化和高孔隙率，而不需要额外添加化学活化剂来在碳材料中形成孔隙。无需额外添加化学活化剂不仅更加环保，且有助于保留生物质废料内部有益的杂原子(N、S、P和B等)和独特的连通孔结构。对于碳基超级电容器电极，杂原子(N、S、P和B等)的掺杂和独特的连通孔结构能够有效的提升电极的电化学性能。
基于以上技术背景，本发明利用上述生物质废料的天然结构、丰富的化学成分以及柔韧的灵活性，将其经过简单的方式制备成了形状可定制的整块厚10－10000μm的碳基电极材料。生产过程中无需添加化学活化剂，且制备的碳基电极材料可以直接作为电极使用。因此，本发明对于生物质衍生碳基超级电容器电极材料是一种新的尝试，同时对生物质废料高附加值利用有着重要的意义。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种碳基电极材料的制备方法，包括：
1)取生物质废料，将其裁切为所需形状或造型，得带有形状或造型的生物质材料；
2)取1)所得带有形状或造型的生物质材料，进行干燥，得带有固定形状或造型的生物质材料；
3)取2)所得带有固定形状或造型的生物质材料，直接放入管式炉中，在保护气体氛围下进行加热碳化处理，处理后在保护气体氛围下冷却到室温，即得整块的碳基电极材料。
本发明碳基电极材料的制备方法的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的碳基电极材料的制备方法简单，原料丰富，价格低廉，绿色环保，获得的碳基电极材料没有使用化学活化剂，形状可定制，具有相互连通的分级多孔体系，较高的比表面积，同时展现了优异的电容存储能力和循环稳定性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在1)中，所述生物质废料包括厚度为10μm－10000μm且柔软的柚子皮、橙子皮、橘子皮和香蕉皮中的任意一种或几种。
采用上述进一步方案的有益效果是通过简单的控制果皮的厚度，即可得到整块厚10－10000μm的碳电极，来实现现有技术中普通粉末碳电极难以达到的厚度。并且由于上述果皮本身是一体的，使得制备的碳电极具有良好的整体性，不会出现现有粉末制成的厚电极，性能严重衰减的现象。
进一步，在1)中，所述形状包括矩形、心形、五角形、圆形、三角形或不规则形状。
采用上述进一步方案的有益效果是通过预先的形状裁剪，来控制最后所得碳电极的形状，可以使最终的电极或电容器件适应最终电子产品对于器件不同形状的要求，简单的操作就实现了电极形状的可定制性。
进一步，在1)中，所述造型包括拱形、环状、管状或螺旋状。
采用上述进一步方案的有益效果是通过预先的造型定制，来控制所得碳电极的造型，可以使最终的电极或电容器件适应最终电子产品对于器件不同空间构型的要求，简单的操作就实现了电极立体形状的可定制性。
进一步，在2)中，所述干燥包括自然风干、烘箱干燥、超临界干燥或冷冻干燥。
采用上述进一步方案的有益效果是实现生物质材料形状及造型的固定。
进一步，所述烘箱干燥的温度为30－100℃，干燥时间为6－72h。
采用上述进一步方案的有益效果是通过相对低的温度和简单的操作，实现果皮空间造型的固定，使得其在后续高温碳化过程中不需要造型固定操作，并使造型在高温过程中不变形。
进一步，在3)中，所述保护气体为氮气或惰性气体。
采用上述进一步方案的有益效果是防止带有不同形状或造型的果皮在高温碳化过程中变形，或者与氧气反应出现内部孔道结构的坍塌变形，而失去了优势的天然结构。
进一步，在3)中，所述碳化处理的温度为500－1600℃，碳化时间为1－100h。
采用上述进一步方案的有益效果是能够在保证无用杂质成分的消除或转化为导电碳成分同时丰富介孔微孔结构。
通过上述背景介绍可知，实际应用中对碳基超级电容器有着各种各样的要求，只有形状可定制的厚电极才能够很好的满足对于高能量密度的全固态超级电容器设备的要求。本发明人发现，橙子皮、柚子皮、橘子皮和香蕉皮这类生物质废料不仅是很好的碳源材料，还具有很好的柔性和厚度。因此，上述生物质废料只要经过合适的处理，就能够制作出形状各异且厚10－10000μm的碳基电极材料。
本发明为了满足能源和实际应用中对电子设备更高的要求，利用上述生物质废料制得形状可定制且较厚的整块碳基电极材料，以适应电子设备内不同零件间的形状和高性能的双重要求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种全固态超级电容器，包括：上述方法制备的碳基电极材料和/或上述方法制备的碳基电极材料的复合电极。上述碳基电极材料用于制备全固态超级电容器，具有超高的面积比电容，具有很高的实用价值。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述全固态超级电容器，还包括：隔膜材料。
进一步，所述全固态超级电容器，还包括：凝胶电解质。
附图说明
图1为本发明实施例1所用天然橙子皮的扫描电子显微镜图；
图2为本发明实施例1得到的碳基电极材料的照片；
图3为本发明实施例1得到的碳基电极材料的扫描电子显微镜图；
图4为本发明实施例1得到的碳基电极材料的透射电子显微镜图；
图5为本发明实施例1得到的碳基电极材料的循环伏安曲线；
其中，Sepecific capacitance(F/g)指比电容，Voltage(V)指伏特数。
图6为本发明实施例3得到的螺旋造型碳基电极材料的照片；
图7为本发明实施例3得到的全固态超级电容器的照片；
图8为本发明实例3所得全固态超级电容器的充放电曲线以及面积电容值；
图9为对比例1所用苹果皮的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种碳基电极材料的制备方法，包括：
(1)取厚900μm且柔软的橙子皮，将橙子皮裁切为平面矩形；
(2)将矩形橙子皮放入－20℃至－60℃的冷冻干燥机里，冷冻干燥24－72小时至果皮完全干燥，以实现形状的固定；
(3)将带有固定平面矩形的橙子皮放入管式炉中，在氩气氛围下800℃碳化处理2h，之后在氩气氛围下冷却到室温，获得整块厚850μm的碳基电极材料。
如图1所示，天然的橙子皮具有微观的孔道结构，且这些孔道结构是相互连通的。
如图2所示，基于橙子皮获得的整块碳基电极材料，由于直接碳化橙子皮而没有添加KOH等化学活化剂，使橙子皮保持了很好的宏观形状。
如图3所示，基于橙子皮获得的整块碳基电极材料，保留了橙子皮的天然微观构造，其显示为类蜂窝状的多孔互穿结构，这些大孔道有利于电解液的快速渗透。这些孔道壁上还存在许多介孔结构，介孔范围是2－50nm，能够进一步促进电荷的存储和传递。
如图4所示，基于橙子皮获得的整块碳基电极材料，显示了多孔无定型碳的超显微结构，在这个纳米弹片的表面显示了许多黑白相间的图案，反映了该碳材料上有许多微孔结构。橙子皮碳化没有使用KOH等化学活化剂同样展示了这种多微孔结构的形貌，说明橙子皮中的酸性物质和丰富的金属元素能够实现活化造孔的效果，导致了碳材料中多孔结构的形成。利用生物质废料橙子皮中所含酸性物质和金属元素来实现活化造孔功能，相较于传统的化学活化更加绿色和方便。
如图5所示，对基于橙子皮获得的整块碳基电极材料进行电化学性能测试，显示了一个类矩形的循环伏安曲线，这说明了该碳材料有一个相对理想的双电层电容性能。在不同的扫描速率下获得循环伏安曲线保持了相对类似的矩形形状，这个能说明其稳定的电容输出特性。比电容的数值维持在150－260F/g，比传统的商业活性碳超级电容器电极的性能(小于50F/g)提升了4倍以上。
实施例2
一种碳基电极材料的制备方法，包括：
(1)取厚1000μm且柔软的橙子皮，将橙子皮裁切为平面五角形；
(2)将五角形橙子皮放入－20℃至－60℃的冷冻干燥机里，冷冻干燥24－72小时至果皮完全干燥，以实现形状的固定；
(3)将带有固定五角形的橙子皮放入管式炉中，在氩气氛围下进行800℃碳化处理，碳化时间为2h，之后在氩气氛围下冷却到室温，获得整块厚960μm的碳基电极材料。
实施例3
一种碳基电极材料的制备方法，包括：
(1)取厚1100μm且柔软的橙子皮，将橙子皮裁切为长条形，再卷曲为螺旋形；
(2)将螺旋造型的橙子皮放入－20℃至－60℃的冷冻干燥机里，冷冻干燥48小时至果皮完全干燥，以实现造型的固定；
(3)将带有固定螺旋造型的橙子皮放入管式炉中，在氮气氛围下进行900℃碳化处理，碳化时间为2h，之后在氮气氛围下冷却到室温，获得整块厚1050μm的碳基电极材料。如图6所示，橙子皮制备的螺旋形整块碳基电极材料，在100μm厚度的情况下保持了连续的整块碳结构，同时实现了螺旋造型，这使得它能够适合特定应用场景，例如在高集成的管状电子设备，该电极空腔内就可以放置其他的零部件，而节约空间。
(4)将具有螺旋形的碳基电极材料与PVA和KOH的凝胶电解质和纤维素隔膜组装成为全固态超级电容器。如图7所示，利用螺旋形整块碳材料制备的螺旋形对称的超级电容器设备，它能够适合特定应用场景，例如在高集成的管状电子设备，该螺旋电容器空腔内就可以放置其他的零部件，而节约空间。
如图8所示，制备的全固体超级电容器的恒定电流充放电曲线和对应的面积比电容，说明了其优异的电容性能，在不同的电流密度下所有的充放电曲线都展现为类三角形，这说明了其良好的电容行为，且在低电流密度下，放电时间很长，在1mV/cm2的电流密度下计算的面积比电容超过了2000mF、cm2，同时随着电流密度的增加电容性能保持了相对平稳的衰减，在厚电极设备中这是非常优异的性能表现。
实施例4
一种碳基电极材料的制备方法，包括：
(1)取厚1000μm且柔软的橘子皮，将橘子皮做成拱形；
(2)将拱形橘子皮放入－20℃至－60℃的冷冻干燥机里，冷冻干燥24－72小时至果皮完全干燥，以实现其造型的固定；
(3)将带有固定拱形的橘子皮放入管式炉中，在氩气氛围下进行1000℃碳化处理，碳化时间为1h，之后在氩气氛围下冷却到室温，获得整块厚960μm的碳基电极材料。
实施例5
一种碳基电极材料的制备方法，包括：
(1)取厚1000μm且柔软的橙子皮，将橙子皮做成圆环形；
(2)将圆环形橙子皮放入－20℃至－60℃的冷冻干燥机里，冷冻干燥24－72小时至果皮完全干燥，以实现造型的固定；
(3)将带有固定圆环形的橙子皮放入管式炉中，在氩气氛围下进行900℃碳化处理，碳化时间为2h，之后在氩气氛围下冷却到室温，获得整块厚960μm的碳基电极材料。
对比例1
制备碳基电极材料的步骤与实施例1的区别在于使用苹果皮作为生物质废料，其他步骤相同。
如图9所示，基于苹果皮获得的断面微观结构，显示了表面有很厚的结构，对比橙子皮的蜂窝结构，苹果皮展示了一个相对致密的结构，且苹果是相对薄的，在十几个微米左右，不能满足对于高能量密度的厚电极的需求。
综上所述，本发明综合全面的利用了生物质废料，使其在制备碳基超级电容器中最大化其利用价值，这是绿色可持续发展理念的一次重要实践。在碳基电极制备过程中没有使用额外添加的化学活化剂，而且获得的碳基电极材料不仅展现了分级多孔结构，而且具有杂原子的掺杂，是一种优异的电极材料，展现了优异的电容性能。此外该碳材料也能作为基底进行其他纳米材料的负载，从而进一步获得不同的碳基复合电极，最终组装非对称的全固态电容器。
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 (9)

1.一种碳基电极材料的制备方法，其特征在于，包括：
1)取生物质废料，将其裁切为所需形状或造型，得带有形状或造型的生物质材料；
2)取1)所得带有形状或造型的生物质材料，进行干燥，得带有固定形状或造型的生物质材料；
3)取2)所得带有固定形状或造型的生物质材料，直接放入管式炉中，在保护气体氛围下进行加热碳化处理，处理后在保护气体氛围下冷却到室温，即得整块的碳基电极材料，所述生物质废料包括厚度为10μm-10000μm且柔软的柚子皮、橙子皮、橘子皮和香蕉皮中的任意一种或几种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在1)中，所述形状包括矩形、心形、五角形、圆形、三角形或不规则形状；所述造型包括拱形、环状、管状或螺旋状。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在2)中，所述干燥包括自然风干、烘箱干燥、超临界干燥或冷冻干燥。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述烘箱干燥的温度为30-100℃，干燥时间为6-72h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在3)中，所述保护气体为氮气或惰性气体。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在3)中，所述碳化处理的温度为500-1600℃，碳化时间为1-100h。
7.一种全固态超级电容器，其特征在于，包括：权利要求1-6任一项所述方法制备的碳基电极材料和/或权利要求1-6任一项所述方法制备的碳基电极材料的复合电极。
8.根据权利要求7所述的全固态超级电容器，其特征在于，还包括：隔膜材料。
9.根据权利要求8所述的全固态超级电容器，其特征在于，还包括：凝胶电解质。
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