TW202246177A - 用於生產經活化碳基電極材料之吹掃氣體製程 - Google Patents

用於生產經活化碳基電極材料之吹掃氣體製程 Download PDF

Info

Publication number
TW202246177A
TW202246177A TW111105651A TW111105651A TW202246177A TW 202246177 A TW202246177 A TW 202246177A TW 111105651 A TW111105651 A TW 111105651A TW 111105651 A TW111105651 A TW 111105651A TW 202246177 A TW202246177 A TW 202246177A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
lignin
activated carbon
carbon
purge gas
black liquor
Prior art date
Application number
TW111105651A
Other languages
English (en)
Inventor
卓鎮權
厄爾 詹森
馬修 西伯特
Original Assignee
加拿大商超級電容技術公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 加拿大商超級電容技術公司 filed Critical 加拿大商超級電容技術公司
Publication of TW202246177A publication Critical patent/TW202246177A/zh

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
    • C01B32/324—Preparation characterised by the starting materials from waste materials, e.g. tyres or spent sulfite pulp liquor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/336—Preparation characterised by gaseous activating agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/12—Surface area
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/14—Pore volume
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

提供了經活化碳及製備經活化碳之方法。該經活化碳可以藉由活化木質素或高木質素原料且隨後使該經活化碳經受第一高溫下的吹掃氣體來生產。

Description

用於生產經活化碳基電極材料之吹掃氣體製程
相關申請案之交叉引用
本申請案主張2021年2月17日申請之題為用於生產經活化碳基電極材料之吹掃氣體製程(Sweeping Gas Process for Production of Activated Carbon-Based Electrode Materials)的美國臨時專利申請案第63/150244號之優先權及權益，該申請案以全文引用的方式併入本文中用於所有目的。 發明領域
一些實施例係關於用於製造具有相對高電導之經活化碳之方法。一些實施例係關於用於製造具有相對低氧含量之經活化碳之方法。一些實施例係關於利用本文描述之方法製造之經活化碳。一些實施例係關於具有由此類材料製成之電極的超級電容器或電池組。一些實施例係關於含有儲能結構的建築及模組化建築構件，該等儲能結構具有由此類材料製成之電極。
發明背景
電化學儲能裝置利用物理及化學特性來儲存能量。舉例而言，超級電容器使用物理儲存機制來產生高功率與長壽命。電池組採用氧化還原反應來產生能量。
儲能系統之電極在超級電容器及電池組應用(包括鋰硫(LiS)電池組應用)中需要高吸附容量與良好的微孔度及低電阻。典型的經活化碳具有高吸附能力，但通常不具有適合的電特性。典型的經活化碳具有與氧相關的官能基，該等官能基以化學方式結合在表面上，此可能造成超級電容器及鋰硫電池組的使用壽命縮短。
在解決其電特性的缺點的情況下，諸如經活化碳之類的碳材料可以提供用於製造電極的有用材料。舉例而言，碳基材料可以設計為高度多孔的材料，從而具有高表面積。材料中的孔徑可以係微孔的，主要係為了提供高表面積。碳材料亦可以提供良好的吸附性(亦即，離子附著在材料表面上)及低電阻(亦即，在大電流下有效的電子及離子運動)。碳孔徑可以描述為微孔(具有小於2 nm的孔寬)、中孔(具有2 nm與50 nm之間的孔寬)及大孔(具有大於50 nm的孔寬)。
經活化碳由於表面積高(1,000-3,000 m 2/g)已被用於電極材料。經活化碳廣泛地由許多天然物質生產，諸如煤(褐煤、煙煤及無煙煤)、泥煤、木材及椰子殼。在此等天然原料中，椰子殼係一種很好的經活化碳，因為其主要的微孔度小於超級電容器碳所要求的2 nm。
經活化碳的生產主要涉及碳化及用氧化劑活化。在沒有氧氣的情況下，碳化將天然物質轉化為炭(碳)。炭被部分氧化以產生經活化碳。活化形成經活化碳的多孔表面，但此種部分氧化過程不能去除含氧官能基。當經活化碳用於超級電容器之電極材料時，含氧官能基可以為超級電容器產生寄生反應，從而降低初始電容並限制使用壽命。含氧官能基亦為超級電容器及電池組應用(諸如鋰硫應用)產生高電阻。
具有改進電特性之經活化碳材料的潛在應用實例包括超級電容器及電池組，包括金屬硫(例如鋰硫(LiS))電池組。超級電容器係高容量電容器，可以彌合電解電容器與可充電電池組之間的差距。超級電容器每單位體積或質量可以儲存比電解電容器更多的功率(例如，通常係10到100倍的功率)，並且可以比電池組更快地接受及傳遞電荷，因為充電/放電僅涉及離子的物理運動，而並非化學反應。與電池組相比，超級電容器亦可以承受更多的充電及放電循環，並且可用於功率猝增，例如在混合動力車中在再生制動期間回收及提供電力，或作為建築或建築構件的一部分進行儲能。碳係超級電容器的理想材料，因為其表面積高、電阻低且成本有利。
可充電電池組技術中越來越受關注的領域係鋰硫(Li-S)電池組。鋰硫電池組具有鋰金屬陽極及硫陰極。硫作為主體材料浸漬在經活化碳的微孔中，經活化碳為鋰硫電池組系統中的硫物種提供導電及吸附能力。硫及鋰的理論容量分別為1672或1675 mA h g -1。因此，Li-S電池組的理論能量密度為2500 Wh kg -1，此係可充電電池組中最高的理論能量密度之一。因此，鋰硫電池組為可攜電子產品及電動車提供了一種很有前途的電能儲存系統。
鋰硫(LiS)電池組藉由將陰極處的硫還原為硫化鋰來工作： S+16Li↔8Li 2S (2.4 V-1.7 V) 形成硫化鋰的硫還原反應很複雜，且涉及形成各種多硫化鋰(Li 2S x，8＜x＜1，例如Li 2S 8、Li 2S 6、Li 2S 4及Li 2S 2)。
在一些鋰硫電池組的情況下，陽極可以係純鋰金屬(在放電過程中Li°被氧化為Li +)，且在一些情況下，陰極可以係含硫之經活化碳(在放電過程中S°還原為S 2-)。在陽極與陰極之間設置離子可滲透的隔板，且在此種系統中使用的電解質通常基於有機溶劑的混合物，諸如環狀醚，諸如1,2-二甲氧基乙烷(DME)及1,3-二氧雜環戊烷(DOXL)，含有1莫耳的雙(三氟甲磺醯)亞胺鋰(LiN(SO 2CF 3) 2)及1%的硝酸鋰或其類似物。
鋰硫電池組的潛在優勢包括高能量密度(理論上係鋰離子的5倍，但實際上係鋰離子的2至3倍)，在儲存時不需要補充充電(top-up charging) (而鋰離子電池組可能需要40%定期充電以防止容量損失)，活性材料比鋰離子更輕，且用於製造鋰硫電池組的材料比鋰離子電池組更環境友好且更便宜(因為不需要稀土金屬)。
然而，鋰硫電池組系統面臨的挑戰尚未得到充分解決以使其具有商業價值。舉例而言，多硫化鋰(Li 2S x，其中x係3與8之間的整數)溶解在電解質中，並進一步還原為在電池組系統的陽極上形成的不溶性硫化鋰(例如Li 2S 2還原為Li 2S)。此類形成會造成活性材料的損失，導致壽命週期短(亦即，放電及充電循環更少)，此在商業上係沒有用的。
此外，由於硫在電子及離子上係絕緣的，因此需要將硫嵌入至導電基質中才能用於鋰硫電池組。碳係鋰硫電池組電極的潛在有用材料，因為其具有微孔結構，可以捕獲多硫化鋰的沈積，並有助於最大限度地減少放電過程中之電極膨脹。鋰硫電池組的陰極可以由浸漬硫之經活化碳作為活性材料製成，在陽極側與鋰金屬中的鋰離子發生反應。電極需要高吸附能力與微孔度及低電阻，以便為超級電容器產生高電容，並在陽極側捕獲及減輕不溶性多硫化物的形成，從而縮短LiS電池組的使用壽命。
經活化碳之許多形式亦包括高百分比的氧，例如在約15%的範圍內，通常呈含氧官能基的形式。氧係一種絕緣材料，且其存在於經活化碳中會增加碳產品的電阻。
採用綠色經濟及可再生能源(諸如風能及太陽能)需要採用更好的儲能系統。可再生能源的發電量無法預測控制，且為了使此類能源向電網供應相當大比例的電力，需要可靠且重要的儲能系統來平衡可再生能源提供的不規則發電量。提供有意義的儲能系統允許在電力生產期間儲存電力，並允許在由可再生能源生產的電力減少期間向電網供電。然而，此類儲能系統必須非常大，才能達成所需的電網穩定。
提供可以促進自可再生能源廣泛生產電力的儲能系統的一種策略係將此類儲能系統結合至建築或建築構件中。此種策略可以允許儲存大量能量，而不會為儲能系統產生顯著的單獨佔用空間。然而，將用作建築或建築構件的一部分的儲能系統需要穩固且可靠(例如，具有長壽命，涵蓋許多充電及放電循環)，因為此類系統的更換或維修可能很困難或對建築的其他用途有破壞性。此外，此類儲能系統應該提供高能量密度，以便使儲能增至最大，同時最大限度地減少由此類儲能系統佔據的空間量。
仍然需要提高超級電容器及/或金屬硫(包括鋰硫電池組系統)的能力的技術。相關技術之先前實例及與其相關之限制意欲為說明性的且非排他性的。相關技術之其他侷限性對於熟習此項技術者在研讀說明書且研究圖式時將變得顯而易知。
發明概要
以下實施例及其態樣結合於系統、工具及方法描述及說明，該等系統、工具及方法意謂例示性及說明性的，不意謂限制範疇。在多個實施例中，已減少或消除上述問題中之一或多者，但其他實施例係針對其他改良。
本發明之一個態樣提供了一種生產經活化碳之方法，其藉由以下方式進行：提供木質素或高木質素原料；自該木質素或高木質素原料生產經活化碳；以及將該經活化碳暴露於第一高溫下的吹掃氣體中。木質素可以係木質素A (衍生自木本植物的低灰分木質素，高級形式的木質素)、木質素B (衍生自木本植物的高灰分木質素，低級形式的木質素)、木質素C (衍生自軟木基黑液或小麥稈基黑液的木質素)或其混合物。高木質素原料可以係來自製漿過程的黑液，例如用於硬木、軟木或榖粒的製漿。榖粒可以係小麥稈。
黑液原料可以藉由以下方式經受水熱碳化製程：在碳化氛圍，諸如二氧化碳氛圍下，在壓力下，例如在30-80 psig的初始壓力下，在室溫下加熱，其中在約900-1500 psig的壓力下將溫度升高至介於約200-320℃的範圍內，持續2-10小時的時段。
吹掃氣體可以係惰性氣體與還原氣體的組合。惰性氣體可以係氮氣、氬氣或氦氣。還原氣體可以係氫氣、氨、一氧化碳、組成氣體或合成氣。吹掃氣體可含有介於約80%與約99%之間的惰性氣體及約1%至約20%的還原氣體。第一高溫可以在約750℃與約950℃之間。可以按3.5至7.5公尺/分鐘的表觀速度供應吹掃氣體。吹掃氣體處理可以進行介於0.5小時與9小時之間的時段。
一個態樣提供了一種由木質素或高木質素原料製造之經活化碳。一個態樣提供了利用如本文定義之方法製造之經活化碳，包括已經經受吹掃氣體製程之經活化碳。亦提供了結合有此類經活化碳之電極及含有此類電極的超級電容器或電池組，以及結合有此類經活化碳、超級電容器或電池組的建築或模組化建築構件。
除了上文所述之例示性態樣及實施例之外，其他態樣及實施例藉由參考圖式及藉由研究以下詳細描述變得顯而易知。
較佳實施例之詳細說明
在整個以下描述中，闡述了具體細節以便為熟習此項技術者提供更透徹的理解。然而，熟知元件可能未示出或未詳細描述以避免不必要地混淆本發明。因此，以說明性而非限制性意義看待描述及圖式。
在一個例示性實施例中，發明人開發了一種用於生產具有所需物理特性的碳的新方法。此種碳具有潛在的效用，例如，用於製造用於儲能之電極，例如用於超級電容器、金屬硫電池組、鋰硫電池組等。發明人已經確定，與由椰子生產的對照生物基或可再生經活化碳相比，由在還原氛圍下經受吹掃氣體處理的木質素或高木質素材料(本文稱為木質素基經活化碳)生產之經活化碳在木質素基經活化碳的特性方面表現出顯著改善。
在特定測試的例示性實施例中，來自黑液(BL，其在鹼性溶液中含有溶解的木質素)的木質素A (LA)、木質素B (LB)及木質素C (LC)被用於生產木質素基經活化碳，使用氫氧化鉀(KOH)作為例示性氧化劑。木質素基經活化碳用吹掃氣體(SG)處理，使用還原氣體去除含氧官能基。YP50F (YPAC，衍生自椰子殼)被選為生物基可再生來源經活化碳的比較類型。比較木質素基經活化碳與YP50F的電化學特性，以表明與由更典型的可再生經活化碳來源生產之經活化碳相比，本文所述的吹掃氣體製程在木質素基經活化碳的特性方面產生顯著更好的增強。發明人亦發現，經由黑液作為起始材料的水熱碳化可以生產高品質的經活化碳，特別係在黑液衍生自小麥稈或木漿的情況下。
觀察到實例中測試的木質素基經活化碳在吹掃氣體處理後顯示出顯著改善的吸附能力及電特性，從而在測試的超級電容器應用中產生高電容值。吹掃氣體處理的木質素基經活化碳適用於超級電容器及電池組應用中之電極材料，例如金屬硫，包括鋰硫電池組。與椰子殼基經活化碳相比，觀察到本文所述的吹掃氣體處理在增強木質素基經活化碳的特性方面特別有效。
如本文所用，經活化碳的可再生來源係指可以自然補充自身的碳源(例如，其衍生自生物基來源，諸如木質素或椰子)，而並非不可再生之經活化碳來源，諸如煤或石油副產品。
如本文所用，木質素係指木質素A、木質素B及木質素C。高木質素原料係指含有顯著比例的木質素(例如介於65%與98%或更高之間的木質素乾物質含量，包括其間的任何子範圍，例如至少65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%或大於98%的木質素乾物質含量，按重量計)的材料，或來自由製漿製程中獲得的黑液(其濕物質含量通常含有介於10-15%之間的木質素，包括其間的任何值，包括按重量計11、12、13或14%的木質素，並且其乾物質含量可能含有按重量計至少20-35%或更高的可回收的木質素，包括其間的任何子範圍，例如基於乾物質計算按重量計至少20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%或35%的可回收的木質素)。在一些實施例中，高木質素原料的可回收的木質素含量基於乾重計在65%與98%或更高之間，包括其間的任何子範圍，例如基於乾重計至少65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%或大於98%的可回收的木質素)。
在一些實施例中，黑液自涉及硬木的製漿製程獲得。在一些實施例中，黑液自涉及軟木的製漿製程獲得。在一些實施例中，黑液自涉及硬木及軟木二者的製漿製程獲得。在一些實施例中，黑液自牛皮紙製漿製程獲得(例如使用LignoForce TM製程獲得的黑液)。在一些實施例中，牛皮紙製漿製程係蘇打製漿製程(亦即，無硫製程)。在一些實施例中，黑液獲自涉及另一種原料的製漿製程，該另一種原料諸如為榖粒，例如小麥稈。
在一個例示性實施例中，經活化碳由木質素或高木質素原料，包括例如由含有木質素的黑液生產，並進行吹掃氣體處理以自材料中去除氧氣，以生產具有所需特性之經活化碳。不受理論的束縛，咸信減少經活化碳中存在的氧的量會降低經活化碳的電阻(亦即增加其電導率)。此可以在超級電容器電池中經活化碳的快速放電速率或高放電電流密度(A/g)下提供高電容及/或電容保持。發明人已經發現吹掃氣體處理特別有利於提高由木質素或高木質素原料生產之經活化碳的品質。本發明人亦開發了一種可用於自黑液起始材料生產經活化碳的水熱碳化方法。
參考圖1-5，繪示了使用木質素或高木質素原料製備經活化碳之製程 200的例示性實施例。在一些實施例中，木質素或高木質素原料係木質素A、木質素B、木質素A及木質素B的混合物、木質素C或黑液(例如自牛皮紙製漿製程獲得的)。在一些實施例中，可以使用圖1中所示的製程。在一些實施例中，可以使用如圖2、3、4及5所繪示的附加步驟。在一些實施例中，用於生產經活化碳之步驟可以根據所使用的木質素或高木質素原料而變化。舉例而言，在木質素係木質素A的一些實施例中，可以使用圖2中所繪示之方法步驟。在一些實施例中，在木質素係木質素B的一些實施例中，可以使用圖3中所繪示之方法步驟。在一些實施例中，在高木質素原料係黑液的一些實施例中，可以使用圖4中所繪示之方法步驟。圖5顯示了用於不同原料作為起始材料之方法 200的各個步驟之間的潛在相互關係的實例。
大體上如圖1所示，在 202處供應木質素或高木質素原料。在 206處，原料被活化以生產經活化碳，並且在 226處，經活化碳經受如本文所述的吹掃氣體製程。
參考圖2，在一些實施例中，在 202處，供應木質素或高木質素原料。在一些此類實施例中，在 202處供應的木質素或高木質素原料係木質素A。木質素或高木質素原料在 204處經受碳化製程，例如藉由在無氧氛圍，例如適用於碳化的惰性氛圍(例如氬氣、氮氣、二氧化碳或其類似氛圍)中在介於約500-900℃範圍內的溫度下加熱，持續約1-5小時，包括其間的任何值，例如550、600、650、700、750、800或850℃持續1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5小時。在 206處，所得的木質素基炭(碳化的木質素A或木質素A基炭)以任何合適的方式活化，例如藉由使用物理或化學活化，諸如碳化、熱解(任擇在惰性氛圍下)、蒸汽活化、添加強酸、強鹼或鹽，且隨後在介於約250-900℃範圍內的溫度下加熱，持續約1-5小時，包括其間的任何值，例如300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800或850℃持續1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5小時，或其類似條件。在所說明的實施例中，利用在 208處添加氫氧化鉀作為氧化劑，接著在 210處加熱，進行碳化木質素A的活化。然而，在替代實施例中，可以使用其他活化模式。
在所說明的實施例中，活化步驟 206藉由以下方式進行：首先將碳化木質素A與氧化劑(諸如鹼金屬氫氧化物(例如氫氧化鉀(KOH))組合，以進行活化步驟。例如，在例示性實施例中，可以在步驟 208處以合適的濃度提供KOH，例如，在介於1份木質素炭:4份KOH (或1:1、1:2或1:3)的質量比範圍內的濃度下。接著在步驟 210處藉由以下方式活化混合物：在介於約500-900℃範圍內的溫度下持續約0.5-5小時的時段(包括其間的任何值，例如550、600、650、700、750、800或850℃持續1、1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5小時，或其類似條件)在3.5至7.5公尺/分鐘(包括其間的任何值，例如4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5或7.0公尺/分鐘)的惰性氣體速度下加熱，從而進行活化步驟。在替代實施例中，活化步驟 206可以使用目前已知或未來開發的用於自木質素或高木質素原料生產經活化碳的任何方法來進行。
如參考圖3所示，在一些實施例中，木質素來源係木質素B，該木質素B任擇地在 212處(在圖5中)而並非在 202處供應。木質素B在 204處經受碳化製程，例如以與對於木質素A所述相同的方式。接著任擇地使碳化的木質素B在 214處以任何合適的方式經受去灰分及乾燥。僅作為例示而非限制，碳化的木質素B可以用2 M HCl洗滌，沖洗以確保去除任何HCl殘留物，接著乾燥，例如在高溫下在對流烘箱中乾燥，例如在約80℃至約120℃的範圍內，包括其間的任何溫度，例如85、90、95、100、105、110或115℃。接著將由木質素B生產的經去灰分及乾燥的炭進料至如上所述的活化步驟 206。
如參考圖4所示，在其中高木質素原料係黑液的一些實施例中，黑液任擇地在 216處(在圖5中)而並非在 202處供應。黑液藉由在碳化氛圍(例如CO 2)下加熱而經受加壓水熱碳化。僅作為例示而非限制，黑液可以飽和，接著在室溫下加壓(例如在介於30-80 psig範圍內的壓力，包括其間的任何值，例如40、50、60或70 psig)。CO 2加壓的黑液可在 218處在介於約200-320℃範圍內(包括其間的任何溫度，例如210、220、230、240、250、260、270、280、290、300或310℃)的溫度下在介於約900-1500 psig範圍內(包括其間的任何值，例如1000、1100、1200、1300或1400 psig)的壓力下加熱約2-10小時(包括其間的任何時間，例如3、4、5、6，7、8或9小時)的時段。可以在 220處使用真空過濾回收所得產物(水炭)。僅舉例而言，回收的產物可以在 220處用2 M HCl洗滌以除去任何鹽(例如碳酸鈉)，接著用水沖洗並在高溫下在對流烘箱中乾燥，例如在約80℃至約120℃的範圍內，包括其間的任何溫度，例如85、90、95、100、105、110或115℃，接著供應至活化步驟 206。
在活化步驟 206之後，在 222處任擇地進行酸洗及乾燥步驟以去除任何殘留的活化劑，例如在使用化學活化劑的實施例中。舉例而言，在所示實施例中使用氫氧化鉀作為活化劑的情況下，可以使用水洗來回收未反應的及用過的氫氧化鉀以進行再生，接著用強酸(諸如鹽酸)洗滌以除去氫氧化鉀殘留物及灰分，接著用熱水洗滌以除去殘留的氯離子。任何合適的乾燥條件可用於進行步驟 222，包括環境條件。在僅作為例示的一些實施例中，乾燥在介於約70℃-150℃範圍內(包括其間的任何值，例如80、90、100、110、120、130或140℃)的溫度下進行。在一些實施例中，乾燥在任何合適的設備(諸如烘箱、對流烘箱或真空烘箱)中進行介於10與48小時之間的時段(包括其間的任何時段，例如24或36小時)。在一些實施例中，乾燥在大氣壓下進行。在一些實施例中，乾燥在真空下進行，例如在介於約10至約760 mmHg範圍內的壓力下。
任擇地，在 224處，使所得經活化碳經受微粉化或尺寸減小，例如藉由用球磨機、噴射磨機、研磨機或其他合適的設備研磨。在一些實施例中，在步驟 224處微粉化之後之經活化碳的平均粒度在約1 µm至約10 µm的範圍內，包括其間的任何值，例如2、3、4、5、6、7、8或9 µm。在一個實施例中，將經活化碳研磨至介於約1 µm至約10 µm範圍內的尺寸，平均尺寸為6 µm。
乾燥後，在 226處，經活化碳在高溫下經受吹掃氣體處理。在一些實施例中，使用還原氣體與惰性氣體組合進行吹掃氣體製程。可用作還原氣體的氣體的實例包括氫氣、氨、一氧化碳、組成氣體、合成氣或其類似氣體。組成氣體係此項技術中已知的氫氣及氮氣的混合物。合成氣係此項技術中已知的一氧化碳及氫氣的混合物。惰性氣體的實例包括氮氣、氦氣及氬氣。
在一些實施例中，用於進行吹掃氣體製程的氣體含有介於約80%至約99%之間的惰性氣體，包括其間的任何值或子範圍，例如82、84、86、88、90、91、92、93、94、95、96、97或98%的惰性氣體，以及介於約1%至約20%之間的還原氣體，包括其間的任何值或子範圍，例如2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17或18%。在一些實施例中，用於進行吹掃氣體製程的氣體含有90-96%的惰性氣體及4-10%的還原氣體。在一些實施例中，吹掃氣體含有96%的氬氣及4%的氫氣。
在一些實施例中，將經活化碳混合物作為固體薄層，例如散佈在托盤上，提供給吹掃氣體處理。在一些實施例中，經活化碳混合物在吹掃氣體處理期間保持靜止。
在一些實施例中，吹掃氣體在大氣壓力下以約3.5至7.5公尺/分鐘的表觀速度施加，包括其間的任何值，例如4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5或7.0公尺/分鐘。應用吹掃氣體的表觀速度可由熟習此項技術者根據用於實施該製程的設備類型來調節。步驟 226可以在任何合適的設備中進行，例如在各種實施例中可以使用管形爐、回轉窯、流體化床反應器或其他合適的設備。
在一些實施例中，在步驟 226使該吹掃氣體噴灑在該經活化碳材料上或通過該經活化碳材料。在一些實施例中，將足量的吹掃氣體供應給經活化碳材料，使得相對於經活化碳中氧官能基之數目，氫氣莫耳過量。
在一些實施例中， 226處的吹掃氣體過程在高溫下進行，並且高溫係在介於約750℃與約950℃之間的範圍內的溫度，包括其間的任何值或子範圍，例如775、800、825、850、875、900、925或950℃。在一些實施例中，吹掃氣體處理進行介於約0.5小時與約9小時之間的時段，包括其間的任何值或子範圍，例如0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0或8.5小時。
在一些實施例中，所得經活化碳產品具有至少約90%的碳含量，包括在約90%與約99%之間，包括其間的任何值，例如91、92、93、94、95、96、97或98%。
在一些實施例中，所得經活化碳產品具有使用氮氣吸附測定的至少2500 m 2/g的表面積，包括至少2600、2700、2800、2900、3000、3100、3200或3300 m 2/g。在一些實施例中，所得經活化碳產品具有使用氮氣吸附量測的至少0.8 cc/g的孔體積，包括至少0.85、0.90、0.95、1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35或1.40 cc/g。在一些實施例中，所得經活化碳產品具有至少2500 mg/g的碘值，包括至少2550、2600、2650、2700、2750、2800、2850、2900、2950、3000、3050、3100、3150、3200、3250、3300、3350或3400 mg/g。
在一些實施例中，本文所述之經活化碳產品被結合至電極中。圖7示出了使用經活化碳製造電極之方法 300的示例實施例。在 302處，使用經活化碳及黏合劑(例如PVF、聚偏二氟乙烯)在合適的溶劑(例如N-甲基吡咯啶酮，NMP)中製備經活化碳漿料。任擇地添加導電增強劑，諸如石墨。在 304處，漿料以任何合適的方式均化，例如藉由超音處理。在 306處，將所得漿料以任何合適的方式(例如使用塗佈機)塗佈在合適的箔片，例如鋁箔上。
在 308處，將電極從經塗佈的箔片上切割下來，並且在 310處，使用任何合適的設備，例如Carver實驗室壓機來熱壓電極，例如藉由首先將電極加熱至合適的溫度，諸如200℃，接著在100 Mpa下壓縮電極來進行。在 312處，電極被預處理，例如藉由在150℃的真空烘箱中放置隔夜。在 314處，電極在惰性氛圍，例如充滿氬氣的手套箱中，例如使用氣密鈕扣型電池(例如具有Swagelok的CR2032硬幣型電池)裝配。可以將二個電極放置在電池中，在其之間置放合適的隔板，並且可以添加電解質。
其他製造電極之方法對於熟習此項技術者而言係已知的並且可以用於其他實施例中，並且前面的描述提供了關於製造電極的一種例示性方法的指導而並非限制性的。
在一些實施例中，將由如本文所述之經活化碳材料製成之電極結合至固態鋰電池組，例如鋰硫電池組。在一些實施例中，將如本文所述之經活化碳材料結合至電容器或超級電容器中。
在一些實施例中，將由如本文所述之經活化碳材料製成之電極結合至建築結構的結構及/或構件中以用於儲能。在一些實施例中，結合如本文所述製備之經活化碳的儲能系統可提供比由習知經活化碳製造的材料更高的能量密度，與由習知經活化碳製造的材料相比，可在建築構件或建築結構內提供更低的熱量積聚風險，可以提供比用習知經活化碳製造的材料更多次的充電及放電循環，及/或可以提供比用習知經活化碳製造的材料更快的充電速率。
在一些實施例中，使用如本文所述之經活化碳製造的儲能系統被嵌入模組化建築構件中，例如可用作建築的內部或外部覆層、地板、屋頂、台面、樓梯或樓梯間、櫥櫃或其他建築構件的面板。在一些實施例中，模組化建築構件包括具有由如本文所述的經活化碳材料製成之電極的至少一個超級電容器或至少一個電池組。
在一些實施例中，儲能系統永久地結合至模組化建築構件中，例如藉由在製造模組化建築構件時整體澆鑄在模組化建築構件內或藉由永久固定在其中來進行。在一些實施例中，儲能系統可移除地結合至模組化建築構件中，例如藉由插入模組化建築構件內的隔間內來進行，該隔間可經由出入門、快拆門或其他可拆卸或可移除的覆蓋結構進入。
在一些實施例中，使用如本文所述之經活化碳製造的儲能系統在建築結構的建造或架設期間安裝在建築結構內。儲能系統可以在建造期間結合至建築結構的任何所需部分，例如將最大限度地減少對建築結構的正常使用的干擾的建築結構的一部分，例如牆壁、地板、天花板或其內部構件。
提供可移除地結合的儲能系統允許在發生故障或一旦儲能系統達到其有效使用壽命的終點時移除系統以進行維修或更換。在永久安裝儲能系統的實施例中，若特定儲能系統發生故障或達到其有效使用壽命的終點，則可以停止使用該特定儲能系統及/或可以將該特定儲能系統與其他儲能系統斷開，而物理儲能單元仍原位保留在建築結構內。
在一些實施例中，儲能系統或結合有儲能系統的模組化建築構件安裝在倉庫或其他建築結構內，該建築結構的規模相對較大，但通常沒有大量人員集中在其中(例如，如同辦公大樓或住宅建築結構的情況一樣)。
整合至模組化建築構件或直接整合至建築中的個別儲能系統可以以任何方式相互連接並連接至主供電網。舉例而言，可以將適當的連接器及電纜結合至模組化建築構件或建築結構中，以允許個別儲能系統相互連接。
根據部署儲能系統的特定情況，可以選擇結合有儲能系統的模組化建築構件或建築的一部分的熱特性。舉例而言，在儲能系統部署在亦起到隔熱功能的模組化建築面板中的實施例中，模組化建築面板或建築構件的材料可以被選擇為隔熱的。在替代實施例中，模組化建築面板或建築構件的材料可以選擇為導熱的，以允許熱量自容納在其中的儲能系統轉移出去。
在其中結合了儲能系統的模組化建築構件的表面或建築的一部分將暴露於外部要素的實施例中，則至少暴露於外部要素的模組化建築構件的表面或建築的一部分應該係防風雨的(亦即能夠承受雨、雪、風、太陽及其他可能暴露的天氣條件)。
在儲能系統結合至模組化建築構件的實施例中，模組化建築構件可以設置有任何適當的表面配置、連接器及/或緊固件，以允許將模組化建築構件裝配至建築結構中。任何種類的可用模組化建築系統均可以用於此目的。在一些實施例中，結合至模組化建築構件中的連接器或緊固件亦可以用作電連接器，以將容納的儲能系統連接至建築結構的主電氣系統。 實例
參考以下實例進一步描述了某些實施例，此等實例旨在說明性而非限制範圍。 實例1-用於經活化碳增碳的吹掃氣體技術
在此實例中，作為經活化碳來源的活化水炭(AHC)被純化及處理以降低其用於電極製備的電阻。該製程涉及在還原條件下在800℃的溫度下將氣體掃過活化水炭床一小時。吹掃氣體包括惰性氣體(諸如氬氣)及還原氣體(諸如氫氣)。在一項測試中，使用的吹掃氣體係按體積計96%的氬氣及4%的氫氣的摻合物。
表1顯示了活化水炭(樣品N6)與分別使用Ar惰性氣體及含有4% H 2氣體及96% Ar氣體的吹掃氣體(SG)進行的附加處理相比的化學、物理及電化學特性。結果表明，經由使用吹掃氣體技術可以改善活化水炭的特性。
在此實例中，N6活化水炭係由含有木質素的黑液經由水熱碳化使用二氧化碳加壓及氫氧化鉀在高溫下活化生產的。N6經活化碳係含有85.28%碳含量之細粉狀材料。其碘值(表明其微孔體積，反映了碳樣品的活化程度)為2,701 m 2/g，明顯高於基準經活化碳(自Calgon獲得的YP50F)。
N6-1hrAR (用Ar處理1小時的N6 AHC)的碳含量(91.06%)及碘值(2,916 mg/g)略有增加，而N6-1hSG (用還原性吹掃氣體(96% Ar，4% H 2)處理1小時的N6AHC)顯示碳含量(97.19%)及碘值(3,345 mg/g)顯著增加。N6-1hrSG的表面積為3,076 m 2/g，明顯高於基準經活化碳的表面積。與基準(0.685 cc/g)相比，N6-1hrSG的微孔體積(1.106 cc/g)亦顯著增加。基準經活化碳的碳含量先前確定為99.24%，而基準SG處理之經活化碳高於99.9%。
接著將處理過的活化水炭材料用於構建超級電容器樣品。N6-1hrSG超級電容器(用經過吹掃氣體處理一小時的活化水炭製造的超級電容器)的電容明顯優於以類似方式構建的基準經活化碳超級電容器。與基準SG處理的經活化碳產品(0.5 A/g時為83.5 F/g，5.0 A/g時為26.1 F/g)相比，N6-1hrSG超級電容器實現了高效能(0.5 A/g時為156.5 F/g，5.0 A/g為143.2 F/g)。此外，N6-1hrSG超級電容器的電容保持率(快速充電產生的電容除以慢速充電產生的電容)為91%。此遠高於基準產品(YP50F+SG)僅為33%的電容保持率。此表明N6-1hrSG超級電容器具有非常低的內部電阻。此外，具有90%經活化碳及10%黏合劑(未使用石墨)的N6-1hrSG超級電容器實現了122.3 F/g，電容保持率為85%。
不受理論束縛，咸信吹掃氣體處理製程中的還原氣體(例如氫氣)有效地與氧氣反應以自碳中除去氧。表1顯示了吹掃氣體中的氫氣與化學結合在活化水炭中的氧反應，從而去除了活化水炭的顯著電絕緣組分。不受理論束縛，咸信此會導致碳含量增加及活化程度(及電容)提高。此外，由於由黑液生產之經活化碳含有很大比例的木質素，因此可以合理地預測，類似的處理製程同樣會對由木質素或高木質素材料生產的其他形式之經活化碳的特性產生積極影響。
用含有4%氫氣(H 2)的吹掃氣體還原活化的水炭樣品，且發現此可以降低電阻並增加最終產品的碳含量。結果如表2所示。自MTI商業購買的石墨稱為MTI石墨，用於比較目的。 表 1.活化水炭(用吹掃氣體技術處理及未處理)及基準經活化碳的量測參數。
電極描述 電極配方 (經活化碳%:石墨%:黏合劑%) 經活化碳中的碳含量(%)，使用燃燒方法 碘值(每公克吸收的碘毫克數) 表面積(m2/g)，使用N2氣體吸附量測 微孔體積(cc/g)，使用氮氣吸附量測 使用配方製造的超級電容器的效能
內部電阻(mΩ-g) 在1 A/g下的電容(法拉/公克) 在10 A/g下的電容(法拉/公克) 電容保持率(%)
N6AHC ：使用球磨製程將水炭與KOH混合(1:3 質量比)，且接著在Ar氣體下在750℃下活化0.5小時 80% : 10% : 10% 85.28% 2,701 2,556 0.931 278 113.6 不能充電 N/A
N6AHC+Ar ：N6，AHC在800℃下用Ar氣體處理1小時 80% : :10% : 10% 91.06% 2,916 2,984 1.087 212 132.5 不能充電 N/A
N6AHC+SG：N6 AHC，在800℃下用吹掃氣體(含有4% H2及96% Ar氣體)處理1小時 80%: 10% : 10% 97.19% 3,345 3,076 1.106 22 156.5 143.2 91%
90%: 0% :10% 90 122.3 122.3 85%
基準AC(經活化碳，YP50F) 80%: 10% : 10% 97.67% 1,821 1,810 0.679 未測試 未測試 未測試 未測試
基準AC +SG (YP50F，經SG處理) 80%: 10% : 10% 99% 1,970 1,876 0.709 61 83.6 26.1 31%
表 2.不同製備方法對交流電阻的影響。
碳ID 每10 mg樣品的歸一化ACR (100 kHz時的Ω/10 mg) 基於比較2的相對電阻 碳含量(%) 灰分含量(%)
S25AHC：使用衍生自黑液的水炭生產的粗活化水炭(AHC) 0.023 578% 90.03% 2.71%
S25AHC+SG：在800℃下使用SG還原1小時的S25AHC 0.009 227% 94.95% 2.64%
S12AHC：精細活化水炭(AHC) 0.016 403% 88.32% 2.40%
S12AHC+SG：在800℃下使用SG還原1小時的S12AHC 0.008 213% 97.19% 2.25%
WBC：在550℃下持續1小時生產的木基水炭 非導電 N/A 91.09% 0.39%
WBC+SG：使用SG在800℃下還原1小時的WBC 0.009 221% 99.18% 0.74%
比較1：奈米顆粒黑碳(Sigma-Aldrich) 1.221 31338% 宣稱＞ 99% N/A
比較2：石墨(MTI) 0.004 100% 宣稱＞ 99.8% N/A
實例2-進一步細化木質素基經活化碳作為電極材料 材料及方法
此項工作使用了以下經過碳化及活化的木質素原料。黑液自加工木漿的紙漿廠獲得。木質素A及木質素B樣品均自牛皮紙製漿製程中提取，並使用LignoForce™製程進行分離。 •黑液(BL)：BL樣品係獲自木質素回收廠。BL含有溶解的木質素，其作為紙漿生產工業的副產品留在生產的黑液中。回收廠使用BL回收木質素A (初級)及木質素B。 •木質素A (表示為LA)：自牛皮紙製漿製程中提取，並使用LignoForce™製程進行回收。 •木質素B (表示為LB)：亦自牛皮紙製漿製程中提取並使用LignoForce™製程進行回收，但被認為係較低等級的木質素。
此外，選擇基準經活化碳進行比較。椰子殼衍生的AC獲自Calgon。以下AC用作相較於木質素基AC比較電化學特性的基準：YP50F，Calgon：表示為YPAC。 碳化及活化
圖5顯示了使用碳化或水熱碳化(HTC)，接著進行標準KOH活化，去灰化(使用酸洗去除水炭中的灰分)，乾燥，且最後進行SG處理，自LA、LB及BL生產木質素基經活化碳的整體生產製程。
簡而言之，主要碳化途徑(圖5中的頂部途徑)在550℃下對LA及LB樣品進行1小時以分別產生LA及LB炭。接著使用KOH在800℃下將LA炭活化長達2小時。LB水炭首先被去灰分接著被活化以產生LBAC (參見圖5中步驟 214處的中間路徑)。
對於使用水熱碳化的活化水炭(AHC)生產，將BL樣品置於加壓反應器中，且使反應器飽和並在室溫下在50 psig下用CO 2加壓。此加壓及隨後的反應被加熱至280℃的溫度(導致壓力增加到介於900-1000 psig的範圍內)，持續長達5小時，產生水炭。接著使用KOH在800℃下將收集的水炭活化長達2小時。
收集的LAAC、LBAC及AHC用水洗滌以回收KOH (可用於下一批KOH活化)，接著用2 M-HCl沖洗以確保去除未反應的KOH及灰分，接著進行熱水洗滌用於去除殘餘氯。進行此熱水洗滌，直至加入幾滴0.5% AgNO 3溶液時濾液不再顯示白色混濁點。接著將此最終材料在105℃的對流烘箱中乾燥隔夜以進行SG處理。 微粉化及吹掃氣體處理
若需要減小尺寸，則乾燥的生物碳產品可以任何合適的方式粉碎及/或微粉化，諸如使用行星球磨機或噴射磨機(在此項工作中，產生的木質素A及木質素B的粒度(在活化後約17.8 µm)足夠小，因此未使用進一步減小尺寸來測試超級電容器，儘管對於商業應用可能需要接近例如5 µm的較小粒徑)，接著進行吹掃氣體處理，該吹掃氣體處理用含有90%的氮及10%的氫之氣體混合物在高溫下沖洗碳。活化後的此最終後處理方法去除了與木質素基經活化碳化學結合的氧基團。藉由在高溫下使結合氧與吹掃氣體反應/用吹掃氣體剝離結合氧，經SG處理的生物碳產品發生了改變，從而產生了更低的電阻、更高的碳含量及改進的表面積特性。在此項工作中，吹掃氣體處理使用以下條件： •吹掃氣體(10% H 2及90%氮氣(N 2))流過爐中托盤上的靜態薄層固體，其表觀速度為5.5 cm 3/min (或在6''管中1 L/min)，在800℃下持續3小時 化學分析•木質素含量：木質素含量係藉由在低pH下沈澱木質素來測定的。在此種情況下，將BL樣品降至＜pH 3.5 (Ahvazi, 2016)，接著過濾沈澱的木質素並在105℃烘箱中乾燥隔夜，以量測乾物質木質素含量。 •可回收的木質素含量(酸不溶性木質素)藉由以下程序量測(基於Haz的研究中描述之方法(Haz等人, 2019))：特定量( W1)的接收狀態的黑液(BL)被放置在燒杯中。在準備好的燒杯中加入2 M-HCl溶液，直至pH達至1.5，此時木質素沈澱在底部。使用預先稱重( W2)的濾紙(201，Whatman)過濾所得溶液。用熱水洗滌濾紙上收集的固體，並在105℃的烘箱中乾燥直至質量恆定。將乾燥的濾紙(固體+濾紙)稱重( W3)。接收狀態的黑液中的可回收的木質素含量(%)使用以下等式計算： 接收狀態的BL中的可回收的木質素含量(%，濕基)=( W3- W2)×100/ W1•接收狀態的黑液中的乾物質(DM)含量(質量百分比及按濕基計算)。將特定量( W4)的接收狀態的黑液(BL)收集在預先稱重( W5)的錶玻璃上。將製備的錶玻璃在室溫下風乾直至游離水蒸發。將風乾的錶玻璃在105℃的烘箱中乾燥，直至質量變得恆定。將乾燥的錶玻璃(固體+錶玻璃)稱重( W6)。使用以下等式計算接收狀態的黑液中的DM含量(%)： 接收狀態的BL中的DM含量(%，濕基或w.b.)=( W6- W5)×100/ W4•接收狀態的黑液中的水分含量。使用以下等式計算DM中的含水量(%)： 含水量(%)=100-DM(%，w.b.) •DM中可回收的木質素含量(%)。使用以下等式計算DM中的木質素含量(%)： 乾物質(DM)含量(%，w.b.)=可回收的木質素含量(%，w.b.)+非木質素含量(%，w.b.) 乾物質中的可回收的木質素含量(%，乾基)=可回收的木質素含量(%)/DM含量(%，w.b.) •碳及硫分析：使用元素分析儀量測乾燥碳樣品的碳及硫含量。將固體樣品轉化為氧化形式，並藉由紅外偵測器對此等氧化氣體進行定量，以測定固體樣品中的碳及硫含量(按質量計)。 •灰分分析：所收集之樣品中的灰分含量按質量量測。將乾燥固體樣品在蒙孚爐(Muffle furnace)中在580℃下燃燒隔夜，且收集殘餘灰分並稱重以確定灰分含量。 形態分析•碘值的測定：碘值(每公克經活化碳吸附的碘毫克數)為經活化碳效能提供了最基本的特性，因為碘值代表了經活化碳中的實際微孔體積。碘值的測定係液相應用的標準量測方法(Marsh, 2006)。在此項研究中，碘值經常用於評估經活化碳對碳電極材料的適用性。 •使用N 2吸附的BET表面積分析：碳樣品的比表面積藉由使用多點測定的氮多層氣體吸附狀態的布厄特(Brunauer, Emmett and Teller，BET)理論確定。在此技術中，固體樣品的總孔隙體積係根據單個點的氣體飽和度結果確定的。 •孔徑分佈(PSD)：此係使用由Micromeritics開發的SAIEUS非局部密度泛函理論(NLDFT)分析軟體計算得出的。NLDFT可以平均及平滑後續吸附層上的吸附能量密度，並使用積分方程來確定吸附分子的密度作為與吸附劑壁的距離的函數(Kupgan, 2017)。 電阻
圖6示出了在粉末狀經活化碳樣品 402上使用的電阻測試設備 400。壓縮 404係使用一對具有平坦基底 408的銅活塞 406施加的，並且粉末狀經活化碳樣品 402容納在不導電的圓筒 410中。銅線 412連接至電阻計以量測電阻。此測試用作選擇碳產品樣品的篩選工具，此等碳產品樣品有必要進一步用作超級電容器中之電極材料。將特定量的碳樣品放置在腔室中，並在碳樣品以45 MPa壓縮的同時量測電阻。測得的電阻與基於通常用作導電劑的石墨(自MTI Corp., USA獲得)的電阻的相對交流電阻(ACR%)相關。接著將碳樣品的相對ACR與基準YPAC經活化碳進行比較。 實例3-超級電容器電極的製造及測試
圖7展示了在此實例中測試的具有木質素基AC的超級電容器的整體製造。使用75-80% AC、10%石墨及10-15%黏合劑及NMP (質量比為1固體:2.5 NMP或1固體:2 NMP)製備AC漿料，此等材料藉由高能超音處理均質化。使用塗佈機將AC漿料塗佈在鋁箔上。經塗佈之鋁箔在真空烘箱中在80℃下乾燥隔夜。將乾燥的Al箔圈出，直徑為15.0 mm。將得到之電極在200℃下壓延2分鐘並立即在100 MPa下壓縮。將壓縮電極在真空烘箱中在150℃下預處理隔夜，接著將電極放置在充滿Ar的手套箱中用於超級電容器裝配。使用氣密鈕扣型電池(CR2032)將電極裝配在充滿Ar的手套箱中。將二個相同之電極放置在電池中。隔板(Celgard，25 µm)放置在二個電極之間。使用了此電池組配件的電解質(100μL)。電極含有溶解在乙腈中的1.5 M四氟硼酸四乙基銨(最常見的有機電解質)。 電容器的效能測試- 電容
進行電流充放電(GCD)測試以確定超級電容器的比電容(自0.5 A/g的慢速充放電(CD)速率至5.0 A/g的快速CD速率進行測試)。GCD量測在介於0.5 A/g至5 A/g範圍內的各種電流密度下使用在0至2.3 V範圍內的電位。使用以下等式計算放電電容。 比電容(C sp ，F/g)=4 I dt / mt dV-------- 等式1 放電率(A/g)= I/m t-------------------------------- 等式2其中： C sp=比電容(F/公克活性材料) I=施加電流(A) d t=放電時間(秒)，不包括充電模式最後一點及放電開始點之間的切換時間 m t=二個電極上活性材料的總質量(g) dV=自最後一個充電點至0伏放電電壓終點的電壓差(V) 實例4-原材料特徵評估 原材料分析
表3總結了用於生產木質素基經活化碳的三種木質素基材料中的主要元素及灰分含量。木質素A、B及BL衍生的木質素(自黑液中收集的木質素)具有＞63% (65.7%)的高碳及＜1.47%的低灰分含量，而LB具有低碳含量(54.6%)及高灰分含量(26.24%)，不適合生產高品質的活化生物炭。此等實驗的所有木質素來源均具有高於73.4%的木質素含量，以乾物質計算(按重量計)。 表 3.木質素A、木質素B及BL中可回收的木質素的主要元素及灰分含量。
原材料 總木質素含量 *( *黑液的可回收的木質素) 碳含量 硫含量 灰分含量
木質素A (LA) 96.0% 65.70% 2.49% 1.47%
木質素B (LB) 73.4% 54.60% 1.94% 24.70%
BL衍生之木質素(自黑液中收集之木質素) 96.3% 63.47% 3.29% 0.45%
*註：黑液中可回收的木質素含量按下式計算：木質素含量(%)=100%-(硫%+灰分含量%)。
表4顯示了含有溶解的可回收的木質素(12.5重量%)的黑液，其係在pH 1.5下添加2 M-HCl收集的。接收狀態的黑液(其經過多次蒸發製程用於在木質素回收廠回收木質素)具有43.8%的乾物質含量及56.2%的含水量，其為黏性漿液。 表 4.黑液原料中的主要元素及灰分含量。
pH ＞ 13.5
水 56.2%
乾物質含量 43.8%
乾物質含量(43.8%) 非木質素含量 31.2% [乾物質的71%]
可回收的木質素含量 12.5% [乾物質的29%]
經活化碳產品的化學及吸附特性
表5總結了木質素基經活化碳與SG處理之前及之後的基準YPAC相比的主要關鍵指標。木質素基AC的碘值為2,526-2,998 mg/g，碳含量為88.3至92.6%，灰分含量為1.07-2.4%，而YPAC的碘值為1,865 mg/g，碳含量為99.24%，灰分含量為0.35%。
此等木質素基AC及YPAC經吹掃氣體處理後，所有主要關鍵指標的值均有所增加。吹掃氣體處理的木質素基AC的碘值為2,875-3,345 mg/g，碳含量為97.03-98.1%，灰分含量為1.07-2.4%，灰分含量為1.07%-3.10%。YPAC+SG的最關鍵指標提高到碘值為2,048 mg/g，碳含量為99.0%，灰分為0.38%。 表 5.經活化碳的碘值、碳及灰分含量(SG處理之前及之後)。
AC ID 原材料類型 活化之後的後處理 碘值(mg/g) 碳% 灰分%
木質素基AC AHC (活化水炭) 來自黑液的木質素 無 2,701 88.32% 2.40%
AHC+SG 來自黑液的木質素 經SG處理 3,345 97.19% 2.25%
LAAC 木質素A 無 2,998 92.59% 1.07%
LAAC+SG 木質素A 經SG處理 3,140 98.10% 0.68%
LBAC+SG 木質素B 無 2,526 89.47% 1.28%
LBAC+SG 木質素B 經SG處理 2,875 97.03% 3.10%
比較 YPAC 椰子殼 無 1,865 99.24% 0.35%
YPAC+SG 椰子殼 經SG處理 2,048 99.00% 0.38%
註：1.木質素A及木質素B係自木質素回收廠獲得。 2.木質素A係來自木質素回收廠的主要木質素產品。 3.木質素B在活化以便生產LBAC之前進行碳化及去灰分。 經活化碳產品之電特性
表6總結了木質素基AC與YPAC相比的電阻數據。當與YPAC相比時，SG處理的木質素基AC改善了所有化學及電特性。木質素基AC具有240%-500%的相對電阻，而YPAC具有558%的相對電阻(基於自MTI Co., CA, USA獲得的石墨)。經SG處理的木質素基AC具有184-340%的相對電阻，而YPAC+SG具有434%的相對電阻。 表 6.ACs的電阻值(SG處理之前及之後)。
經活化碳ID 原材料類型 活化之後的後處理 相對電阻(%)
木質素基AC AHC 來自黑液的木質素 無 500%
AHC+SG 來自黑液的木質素 經SG處理 340%
LAAC 木質素A 無 366%
LAAC+SG 木質素A 經SG處理 184%
LBAC 木質素B 無(在碳化之後且在活化之前去灰分) 240%
LBAC+SG 木質素B 經SG處理 185%
比較 YPAC 椰子殼 無 558%
YPAC+SG 椰子殼 經SG處理 434%
經活化碳產品之形態特性
來自木質素回收廠的主要木質素產品係木質素A。木質素A進行了進一步評估，咸信該評估代表了所有木質素基來源，包括木質素A、木質素B及BL衍生的木質素。表7總結了LAAC基產品的BET (布厄特)表面積以及使用氮吸附的詳細孔隙度資料。將LAAC基產品的詳細形態特性與YPAC+SG基產品進行了比較。LAAC的表面積為2,728 m 2/g，明顯高於YPAC (1,810 m 2/g)。LAAC的總孔體積為1.213 cc/g，平均孔徑為1.29 nm，而YPAC的總孔體積為0.829 cc/g，平均孔徑為1.18 nm。
在LAAC及YPAC的吹掃氣體處理後，LAAC+SG及YPAC+SG的表面積分別增加了3,203 m 2/g及1876 m 2/g。下表7顯示了碘值(mg/g)及BET表面積(m 2/g)之間的強相關性。 表 7.經SG處理之LAAC及YPAC的表面積及孔隙度。
碳ID 碘值(mg/g) BET表面積(m 2/g) 平均孔(nm) 微孔體積(cc/g)，自0至2 nm計數 孔體積(cc/g)，自0至50 nm孔徑計數 飽和點(終點)的總孔體積(cc/g)
LAAC 2998 2,728 1.29 0.971 1.104 1.213
LAAC+SG 3140 3208 1.13 1.031 1.333 1.334
YPAC 1865 1,810 1.18 0.679 0.743 0.829
YPAC+SG 2048 1876 1.18 0.709 0.76 0.849
註： •微孔及中孔體積採用密度泛函理論方法測定。 •平均孔徑按總孔體積的50%累積體積計算。 超級電容器之效能評估
表8總結了在SG處理之前及之後與YPAC相比，具有木質素基AC的超級電容器的初始電容值。分別裝配了具有LAAC及LAAC+SG的超級電容器。亦製備了YPAC及YPAC+SG基超級電容器以進行比較。在每組中裝配了四(4)個電池。當由於手工裝配過程而忽略每組中電容的最差值或將其視為離群值時，LAAC基超級電容器在0.5 A/g的慢速放電速率下實現在155.5 F/g-160.8 F/g範圍內的電容，而在快速放電速率下實現在122.4-136.1 F/g範圍內的電容，而LAAC+SG的電容顯著增加，在0.5 A/g時為170-176.8 F/g，而在5.0 A/g時為141.2-156.7 F/g。
YPAC基超級電容器在0.5 A/g時的電容為76.4-84 F/g，在5.0 A/g時的電容為7.8-20 F/g。在以0.5 A/g的慢速放電速率進行測試時，YPAC+SG基超級電容器的電容與YPAC基超級電容器表現相似。YPAC+SG基超級電容器在5.0 A/g的高放電率下增加了18.3-44.3 F/g的電容值。最後，選擇每組中最好的電池進行進一步的測試。 表 8.具有木質素基AC及YPAC的超級電容器在經過及不經過SG處理的情況下的初始電容值。
碳ID 漿料配方(AC:石墨:黏合劑) 電池ID 放電率(A/g) 初始電容(F/g) 附註
木質素基AC LAAC 75:10:15 #52-1 0.5 158.6   
5.0 136.1
#52-2 0.5 160.8   
5.0 122.4
#52-3 0.5 155.5   
5.0 137.2
#52-4 0.5 147.0 最差
5.0 88.5
LAAC+SG 75:10:15 #86-1 0.5 176.8   
5.0 156.7
#86-2 0.5 170.0   
5.0 155.3
#86-3 0.5 172.3   
5.0 141.2
#86-4 0.5 170.8 最差
5.0 146.4
比較 YPAC 80:10:10 #17-5 0.5 76.4 最差
5.0 0.0
#17-6 0.5 82.6   
5.0 10.4
#17-7 0.5 84.0   
5.0 20.0
#17-8 0.5 80.3   
5.0 7.8
YPAC+SG 80:10:10 #20-13 0.5 77.2 最差
5.0 18.3
#20-14 0.5 76.4   
5.0 18.3
#20-15 0.5 75.7   
5.0 33.0
#20-16 0.5 81.1   
最好的3個電池(基於每組初始電容的最高值)循環600次，亦即以0.5 A/g的慢速充放電速率測試300次循環及以5 A/g的快速充放電速率測試300次循環。表9總結了具有LAAC及LAAC+SG的超級電容器與具有YPAC及YPAC+SG的超級電容器在600次循環測試後的電容值。
LAAC基超級電容器在0.5 A/g的慢速放電速率下實現了119.4-161.5 F/g的電容，在5 A/g的快速放電速率下實現了82.6-140.4 F/g，而LAAC+SG (在0.5 A/g的慢速放電速率下為164.7-170.7 F/gg及在5 A/g的快速放電速率下為149.3-150.3 F/g)實現了比LAAC更高的電容。YPAC+SG (在0.5 A/g的慢速放電速率下為74.2-78.9 F/g，及在5 A/g的快速放電速率下為6.1-31.3 F/g)的電容略高於YPAC (在0.5 A/g的慢速放電速率下為65.2-82.3 F/g及在5 A/g的快速放電速率下為2.6-19.1 F/g)。
清楚地表明，與由椰子椰棕製成的對照經活化碳相比，在吹掃氣體處理後，木質素基AC具有改善的吸附及電特性。此等改進的特性可以為超級電容器及鋰硫電池組應用提供理想的電極材料。 表 9.具有木質素基AC及YPAC的超級電容器在經過及不經過SG處理的情況下的600次循環電容值。
碳ID 漿料配方(AC:石墨:黏合劑) 電池ID 放電率(A/g) 電容(F/g)
木質素基AC LAAC 75:10:15 #52-1 0.5 161.5
5.0 140.4
#52-2 0.5 153.4
5.0 99.6
#52-3 0.5 119.4
5.0 82.6
LAAC+SG 75:10:15 #86-1 0.5 170.7
5.0 150.3
#86-2 0.5 164.7
5.0 149.3
#86-3 0.5 168.6
5.0 149.8
比較 YPAC 80:10:10 #17-6 0.5 65.2
5.0 2.6
#17-7 0.5 82.3
5.0 19.1
#17-8 0.5 77.1
5.0 12.2
YPAC+SG 80:10:10 #20-14 0.5 74.2
5.0 6.1
#20-15 0.5 75.0
5.0 9.6
#20-16 0.5 78.9
5.0 31.3
實例5-由小麥稈生產之經活化碳的表徵
自小麥稈製漿中獲得的黑液(BL)用於生產經過吹掃氣體製程的木質素基經活化碳。 水熱碳化及活化
圖8顯示了使用水熱碳化(HTC)及/或碳化，接著進行標準KOH活化，去灰化(使用酸洗去除生物炭中的灰分)，乾燥，最後進行SG處理，自氫氧化鈉基黑液(NaBL)及氫氧化鉀基黑液(KBL)生產木質素基AC的整體生產製程 500。
簡而言之，將NaBL 502及KBL 504樣品置於加壓反應器中，且使反應器飽和並在室溫下在50 psig下用CO 2加壓。將此種加壓及隨後的反應加熱至280℃ (導致壓力增加至約900-1000 psig)，持續長達5-10小時，產生水炭 506，該水炭在 508處藉由真空過濾回收，用2 M HCl洗滌，且乾燥。使用在 512處添加的KOH在800℃下直接將水炭活化長達2小時，或者在 510處將水炭在550℃下碳化1-3小時(以產生HC-炭或HCC)。HCC-炭使用在 512處添加的KOH在 514處在800℃下活化長達2小時。
用水洗滌收集的木質素基AC以回收KOH (其可用於下一批KOH活化)，接著用2 M-HCl沖洗以確保在 516處去除未反應的KOH及灰分，接著進行熱水洗滌用於去除殘餘氯。進行此熱水洗滌，直至加入幾滴0.5% AgNO 3溶液時濾液不再顯示白色混濁點。儘管可以在 518處任擇地進行微粉化，但此步驟不包括在此實例中。接著將此最終材料在105℃的對流烘箱中乾燥隔夜以進行SG處理。 微粉化及SG 處理
若需要，可以在 518處使用行星球磨機或噴射磨機將乾燥的生物碳產品微粉化(在此項工作中，未進行微粉化)，接著在 520處進行吹掃氣體處理，該吹掃氣體處理用含有90%的氮及10%的氫之氣體混合物在高溫下沖洗碳。活化後的此最終後處理方法去除了與木質素基經活化碳化學結合的氧基團。藉由在高溫下使結合氧與吹掃氣體反應/用吹掃氣體剝離結合氧，經SG處理的生物碳產品發生了改變，以在最終產品 522中產生更低的電阻、更高的碳含量及改進的表面積特性。在此項工作中，SG處理使用以下條件：氣體流過爐中托盤上的靜態薄層固體，其SG表觀速度(10% H 2及90%氮氣)為5.5 cm/min (或在6''管中1 L/min)，在800℃下持續3小時。 化學分析
接收狀態的黑液中的可回收的木質素含量(質量百分比且按濕基計算)：可回收的木質素含量(酸不溶性木質素)藉由如上所述的以下程序量測(基於Haz研究中描述之方法(Haz等人, 2019))。DM中可回收的木質素含量(%)：DM中的木質素含量(%)使用以下等式計算。 乾物質(DM)含量(%，w.b.)=可回收的木質素含量(%，w.b.)+非木質素含量(%，w.b.)+灰分(%，w.b.) DM中可回收的木質素含量(%，乾基)=可回收的木質素質量(d.b.)/DM質量(d.b.)
元素(碳、氫、氮及硫)分析：使用元素分析儀量測乾燥樣品中的主要元素。固體樣品被轉化為氧化形式，且此等氧化氣體(CO 2、H 2O、NO 2及SO 2)藉由紅外偵測器或熱導偵測器定量，分別用於測定固體樣品中的元素(按質量計)。
近似分析：近似分析確定灰分含量、揮發性物質及固定碳(按差值計算)。乾燥的固體樣品在蒙孚爐中在580℃下燃燒隔夜，且收集殘留的灰燼並稱重。收集的乾物質及固體樣品中的灰分含量按質量計算。藉由在惰性環境下在950℃下加熱乾燥的固體樣品並量測加熱過程後的質量損失來確定揮發性物質的量(VM%)。VM含量係根據固體樣品的原始質量藉由質量損失計算的。固定碳含量的計算公式如下：固定碳(%)=100%-(灰分%+VM%)。 形態分析
碘值的測定：碘值(每公克經活化碳吸附的碘毫克數)為經活化碳效能提供了最基本的特性，因為碘值代表了經活化碳中的微孔體積。碘值的測定係液相應用的標準量測方法(Marsh, 2006)。在此項研究中，碘值經常用於評估經活化碳對碳電極材料的適用性。
使用N 2吸附的BET表面積分析：碳樣品的比表面積使用碘值與來自先前木質素基AC樣品的表面積值之間的相關性(y=0.9374x+47.781，R²=0.9416)來估計，如圖9所示。 電阻
使用圖6中所示的實驗裝置量測電阻。將特定質量的碳樣品放入腔室中，並在碳樣品以45 MPa壓縮的同時量測電阻。測得的電阻與基於石墨電阻的相對交流電阻(ACR%)相關(自MTI Corp., USA獲得)，石墨通常用作超級電容器中的導電劑。接著，將碳樣品的相對ACR與基準AC進行比較。使用圖7中描述之方法製備用於超級電容器之電極。如上所述進行電流充放電(GCD)測試。
表10總結了NaBL及KBL樣品(分別表示為NaBL及KBL)中的乾物質(DM)及可回收的木質素含量。NaBL及KBL的DM分別為48.2%及38.6%，可回收的木質素含量分別為12.0%及13.9%。包括碳水化合物及鹽(Na、K、Si及其他礦物鹽)在內的非木質素含量經測試在NaBL中為36.2%，而在KBL中為24.8%。 表 10.乾物質及可回收的木質素的濕基含量。
參數 NaBL，接收狀態 KBL，接收狀態
乾物質(DM)或固體含量(%) 對於NaBL，48.2% DM，而對於KBL，38.6% DM 可回收的木質素(%，L)含量，使用酸化方法 12.0% (10.6%木質素，1.5%鹽) 13.9% (12.1%木質素+1.8%鹽)
非木質素含量 36.2% 24.8%
含水量(%) 51.8% 61.4%
總和 100.0% 100.0%
註： 1.木質素在添加酸之後(＜pH 2)沈澱並收集木質素內含物 2.非木質素內含物包括碳水化合物及鹽類(Na、K、Si及其他礦物鹽)
表11顯示了自NaBL及KBL樣品製備的乾物質中的主要元素及灰分。在NaBL衍生的DM (NaBL-DM)及KBL衍生的DM (KBL-DM)中，灰分、不可燃物含量(%)經測試為41.58%及36.72%。碳含量係DM中可燃成分中的主要元素，在NaBL-DM中為31.4%，而在KBL-DM中為32.3% (按乾基計算)。 表 11.乾物質中的主要元素及灰分含量(按乾基計算)。
參數 NaBL衍生之DM KBL衍生之DM
氫(%) 31.40% 32.3%
氫(%) 4.17% 4.29%
氮(%) 0.62% 0.64%
硫(%) ＜ 0.20% (低於可報導限值) ＜ 0.20% (低於可報導限值)
氧(%) 22.03% 22.69%
灰分(%) 41.58% 36.72%
註：氧含量按以下差值計算：O (%)=100-(C%+H%+N%+S%)。
表12總結了來自NaBL及KBL樣品的乾物質(DM)中的碳源。NaBL-DM具有與KBL-DM相似的碳分佈。NaDM及KDM與木質素-C及碳水化合物-C (來自酸不溶性木質素的碳及來自碳水化合物的碳)的碳比率幾乎為1:1。NaBL-DM中酸不溶性木質素(16%碳)的碳含量略高於碳水化合物(13.7%碳)，而KBL-DM中碳水化合物(15.4%碳)的碳含量略高於酸不溶性木質素(16%碳)。NaBL-DM及KBL-DM具有來自碳酸鹽的低碳(1-1.8%)。
AC生產有二種碳類型，分為揮發性碳(稱為揮發性物質)及非揮發性碳(稱為固定碳)。AC生產製程由二個主要製程組成：碳化(HTC及碳化)及活化。固定碳主要在活化製程之前藉由熱處理(HTC及/或碳化)轉化為炭，而大多數揮發性碳在熱處理製程中被排出。木質素具有類似於煙煤的分子結構，具有較高的固定碳，而碳水化合物具有較高的揮發性物質含量，其大部分不能轉化為水炭或炭。NaBL及KBL (或NaDM及KDM)中的碳分佈表明，NaBL及KBL (或NaDM及KDM)中碳水化合物的碳產生的炭轉化率低，從而導致總AC收率低。 表 12.乾物質中的碳概況(按乾基計算)。
DM中的碳類型 NaBL衍生之DM KBL衍生之DM
來自可回收的木質素內含物的碳含量(酸不溶性木質素-C) 16.0% 15.4%
來自碳水化合物的碳含量(原生碳酸鹽-C (原生)及酸溶性木質素C) 13.7% 16.0%
來自碳水化合物的碳含量(碳酸鹽-C) 1.8% 1.0%
DM中的總C 31.4% 32.3%
表13總結了衍生自BL樣品的乾物質(在105℃下除去水)中的主要無機元素(按乾基計算)。NaBL-DM的無機元素含量與KBL-DM相似。NaBL-DM具有12.0% Na (化學計量計算為20.9% NaOH)、2.39% K (化學計量計算為3.43% KOH)及0.7% Si (化學計量計算為1.51% SiO2)。KBL-DM經測試具有15.9% K (化學計量計算為22.82% KOH)、0.4% Na (化學計量計算為3.43% NaOH)及0.68% Si (化學計量計算為0.68% SiO2)。 表 13.DM中的主要無機元素。
元素 NaBL-DM KBL-DM
鈉 12.0% (20.9% NaOH) 0.40% (0.69% NaOH)
鉀 2.4% (3.43% KOH) 15.9% (22.82% KOH)
矽 0.70% (1.51% SiO2)    0.68% (1.45% SiO2)
硫 0.12% 0.06%
註：矽及硫係半定量的。
表14顯示了自小麥稈黑液生產水炭的HTC條件。在介於180至310℃範圍內的溫度下測試NaBL及KBL樣品的水炭生產持續5至10小時。在沒有任何催化劑的情況下，使用CO 2加壓進行HTC試驗。接收到的黑液樣品係黏稠的。HTC試驗使用有及沒有水稀釋的BL樣品。 表 14.自小麥稈黑液生產HC的HTC條件。
BL類型 使用CO 2加壓且無催化劑的HTC條件
BL:水的稀釋 浸泡溫度(℃) 浸泡時間(小時)
NaBL 1 BL: 1水 180 5
1 BL: 1水 280 5
1 BL: 1水 280 10
無稀釋 280 10
1 BL: 1水 310 5
KBL 1 BL: 1水 180 5
1 BL: 1水 280 5
無稀釋 280 10
表15分別總結了來自Na及K基BL樣品的水炭的收率及分析結果。HTC製程的目標係以高收率生產高碳水炭。如表15所示，最佳結果(來自NaBL的批次#8及來自KBL的批次#9)基於水炭中的碳含量及基於BL樣品中的總碳含量計算的碳收率確定。
Na基BL樣品在180-310℃ HTC下持續5-10小時水熱碳化成水炭，碳收率為23至31.7% (水炭中的碳含量為62.7-68.5%)。在相同的HTC條件下，KBL-HC (衍生自KBL)的碳收率為22.7-39% (KBL-HC中的碳含量為63.5-66.8%)。與上述表徵的衍生自木漿(樹)的黑液樣品(約78%的碳收率)相比，此等總碳收率較低。看起來小麥稈BL樣品含有來自無法經由HTC回收的碳水化合物的高碳。 表 15.水炭的產品收率及分析結果。
參數及ID 碳含量(%) 灰分含量(%) 總碳收率(%)
Na基BL HTC浸泡溫度於180℃下持續5小時 批次#1 52.4% (看起來像木質素) 18.50% 23.0%
HTC浸泡溫度於280℃下持續5小時 批次#2 62.70% 17.09% 23.6%
批次#3 63.40% 16.42% 23.6%
HTC浸泡溫度於280℃下持續10小時 批次#4 65.30% 16.54% 24.5%
HTC 浸泡溫度於 280 ℃下持續 10 小時 ( 無稀釋 ) 批次 #8 68.50% 11.51% 31.7%
HTC浸泡溫度於310℃下持續5小時 批次#5 66.50% 16.81% 22.7%
K基BL HTC浸泡溫度於280℃下持續5小時 批次#6 63.50% 17.18% 27.0%
批次#7 63.20% 16.70% 27.5%
HTC 浸泡溫度於 280 ℃下持續 10 小時 ( 無稀釋 ) 批次 #9 66.80% 15.52% 39.0%
註：總碳收率係根據BL中的總C計算的。
表16顯示了水炭及衍生自NaBL的炭的近似分析。由於NaBL在木質素含量、總碳含量及鹼含量方面具有相似的化學含量，因此NaBL-HC (衍生自NaBL之水炭)及NaBL-HCC (HC在550℃下額外碳化1小時)係小麥稈BL樣品的代表。包括揮發性物質(VM)、固定碳(FC)及灰分含量的近似分析最初係由煤炭行業開發的，用於確定煤燃料品質及焦炭產量(高固定碳表明高能量含量及高焦炭產量)。對於焦炭生產，高固定含量表示高焦炭產量。
HC的FC/VM質量比為0.8，而HCC的質量比為5。在KOH活化之前去除揮發物對於高品質AC生產至關重要。在此項工作中，活化過程使用KOH作為氧化劑來發展碳表面。當水炭或炭的揮發性物質與來自KOH氧化劑的游離氧反應時，水炭或炭的固定碳對活化表面發展的可利用性較低。
選擇HC樣品(表15中的批次#3及#7)用於進一步碳化接著活化以產生AHCC，而HC樣品(表15中的批次#2及#6)直接活化以便生產AHC用於比較。 表 16.水炭(HC)及HC-炭(HCC)的近似分析。
炭類型 揮發性物質(%) 固定碳(%) 灰分含量(%) FC/VM質量比
NaBL-HC 49.5% 39.0% 17.1% 0.8
NaBL-HCC 13.9% 69.1% 28.8% 5.0
表17總結了小麥稈經活化碳的關鍵績效指標(KPI)，此等指標與基準經活化碳YPAC (YP50F，獲得的炭，Calgon)進行了比較。基準YPAC被稱為超級電容器碳，其適用於超級電容器之電極材料。
使用KOH作為氧化劑活化批次#2 (NaBL-HC)。活化的批次#2表示為NaBL-AHC。批次#3另外碳化(表示為NaBL-HCC)，接著活化(表示為NaBL-AHCC)。KBL-AHC及KBL-AHCC分別使用KBL-HC以相同的方式生產。
碘值(藉由ASTM4607量測並表示為1公克經活化碳中吸附的碘毫克數)表明水相中吸附劑品質的最基本參數，估計其表面積及微孔率(＜2 nm孔)。當超級電容器充電時，電極(浸泡在超級電容器系統中的含水電解質中)靜電吸附電解質的負離子及正離子。當超級電容器放電時，吸收的離子會在主體電解質中被拉回。因此，具有高碘值之電極提供高電容(法拉/公克經活化碳)，此係超級電容器保持電荷的關鍵績效指標。
小麥稈AC具有在1,670至2,003 mg/g的範圍內的高碘值，而基準YPAC的碘值為1,849 mg/g。此等結果表明小麥稈經活化碳具有高吸附性。AHCC的碘值(1,720-2,003 mg/g)高於分別衍生自NaBL及KBL的AHC (1,670-1,872 mg/g)。此表明在活化之前去除揮發性物質(VM)提高了KOH活化的功效。
小麥稈經活化碳的灰分含量高(11.6%至17.3%)。小麥稈AHC及AHCC活化後含有未反應的氫氧化鉀。將所生產的AC置於反滲透水中以回收未反應的KOH，接著用化學計量的2 M-HCl洗滌。高灰分表明第2次酸洗需要過量的HCl以降低活化HC或HCC中的灰分含量。 表 17.小麥稈經活化碳與基準經活化碳的KPI比較。
原料ID 批次ID 描述 碳ID 碘值(mg/g) 碳含量(%) 灰分含量(%)
NaBL 批次#2 自水炭活化(NaBL-HC) NaBL-AHC 1,872 75.4% 6.84%
批次#3 在550℃下碳化1小時且接著活化的NaBL-HC NaBL-AHCC 2,003 75.3% 11.62%
KBL 批次#6 自水炭活化的KBL-HC KBL-AHC 1,670 77.5% 12.12%
批次#7 在550℃下碳化1小時且接著活化的KBL-HC KBL-AHCC 1,720 71.4% 17.25%
YPAC (YP50F經活化碳，Calgon) 商用AC YPAC 1,865 99.24% 0.35%
表18顯示，藉由在活化前去除揮發性物質並在活化後使用過量的HCl進行去灰分，小麥稈AC的KPI得到了改善。
批次#8另外碳化接著活化。所得的AHCC用過量的HCl洗滌。使用水炭活化批次#9。所得的AHC用過量的HCl洗滌。NaBL-AHCC (批次#8)達到3,082 mg/g的高碘值、94.4%的高碳含量及1.22%的低灰分含量。KBL-AHC (批次#9)亦經測試具有2,461 mg/g的高碘值、91.5%的高碳含量及0.88%的低灰分含量。
由於來自批次#8的NaBL-AHCC在所有批次試驗中實現了最佳KPI值。選擇NaBL-AHCC用吹掃氣體進一步處理。 表 18.藉由在活化前去除VM並用過量的HCl洗滌來改良的小麥稈經活化碳的KPI。
原料及比較 批次ID 碳類型 碘值(mg/g) 碳含量(%) 灰分含量(%)
NaBL 批次#8 AHCC 3,082 94.4% 1.22%
KBL 批次#9 AHC 2,461 91.5% 0.88%
註：所有含量(%)均按乾基計算。
小麥稈AHCC經受SG處理，在800℃下用含有90%氮氣及10%氫氣的氣體混合物沖洗碳3小時。活化後的此種最終後處理方法去除了與經活化碳化學結合的氧基。藉由在高溫下使結合氧與吹掃氣體反應/用吹掃氣體剝離結合氧，經SG處理的碳產品發生了改變，從而產生了更低的電阻、更高的碳含量及改進的表面積特性。
表19顯示了用吹掃氣體(AHCC+SG)處理接著與YPAC+SG比較的小麥稈木質素基AC的KPI值。小麥稈AC的碘值及表面積值(3,209 mg/g及3,056 m 2/g)遠高於YPAC+SG (2,048 mg/g及1,876 m 2/g)。根據先前的結果，使用碘值與表面積之間的校正(y=0.9374x+47.781 R²=0.9416)估計表面積。
AHCC+SG的碳含量為97.4%，灰分含量為1.63%，分別低於及高於YPAC+SG (99%的碳含量及0.38%的灰分含量)。小麥稈AC的相對電阻(131%)顯著低於YPAC (434%)。清楚地表明，小麥稈AC具有優異的吸附離子能力及電特性。
表示電阻的測試電阻(%)與基於石墨(自MTI Corp., USA獲得)之電阻的相對交流電阻(ACR%)相關。小麥稈AC的相對抗性(131%)顯著低於YPAC (434%)。清楚地表明，小麥稈AC具有優異的吸附離子能力及電特性。 表 19.SG處理之後小麥稈經活化碳的KPI。
碳ID 批次ID 碘值(mg/g) 表面積(m 2/g) 碳含量(%) 灰分含量(%) 相對電阻(%)
小麥稈AHCC+SG 批次#8 3,209 3,056 (估計值) 97.4 1.63% 131%
YPAC+SG 不適用 2,048 1,876 (量測值) 99.00% 0.38% 434%
表20總結了具有AHCC+SG的超級電容器的初始電容(儲存電荷的能力)及內部電阻。使用75% AHCC+SG、10%石墨基導電劑及15% PVDF黏合劑製備碳漿料。塗層碳複合材料裝配在CR2032 (直徑15 mm)電池中。AHCC+SG基超級電容器在低放電速率(0.5 g/A)下測試的電容範圍為155.3至168.2 F/g，在快速放電速率(5.0 A/g)下測試的電容範圍為144.7-156.1 F/g，而YPAC+SG (用SG處理的YPAC)的電容(76.4-81.1 F/g)明顯低於AHCC+SG。AHCC+SG超級電容器的內部電阻為17.6至22 mΩ-g，而YPAC+SG為88至149 mΩ-g。選擇每組中最好的3個進行600次循環測試。 表 20.使用小麥稈經活化碳的超級電容器的初始電容。
碳ID 漿料配方(AC:石墨:黏合劑) 電池ID 放電率(A/g) 內部電阻(mΩ-g) 初始電容(F/g) 附註
小麥稈AHCC+SG 75:10:15 #52-1 0.5 18.4 166.7   
5.0 156.1
#52-2 0.5 22.0 168.2 最差
5.0 154.1
#52-3 0.5 17.6 159.0   
5.0 149.7
#52-4 0.5 18.3 155.3   
5.0 144.7
YPAC+SG用於比較 80:10:10 #20-13 0.5 149 77.2 最差
5.0 18.3
#20-14 0.5 138 76.4   
5.0 18.3
#20-15 0.5 94 75.7   
5.0 33.0
#20-16 0.5 88 81.1   
5.0 44.3
表21總結了600次循環(300次慢速充放電速率(0.5 A/g)及300次快速充放電速率(5.0 A/g))之後的電容及內部電阻。AHCC+SG基超級電容器在600次循環後實現了高電容與低內部電阻。AHCC+SG基超級電容器的優異效能表明AHCC+SG非常適用於儲能應用中之電極材料。
AHCC+SG超級電容器在0.5 A/g時為153.6-166.3 F/g，在5.0 A/g時為138.8-149.4 F/g，而在0.5 A/g時為74.2-78.9，在5.0 A/g時為6.1至31.3。特別係YPAC+SG基超級電容器的電容在600次循環後，在5.0 A/g時的電容顯著降低。AHCC+SG的內部電阻範圍為19.85-22.05 mΩ-g，與初始內部電阻(17.6至22 mΩ-g)幾乎相同。YPAC顯著增加了內部電阻(150-164 mΩ-g)，此表明了電容在600次循環後下降的原因。 表 21.使用小麥稈經活化碳的超級電容器的600次循環電容。
碳ID 漿料配方(AC:石墨:黏合劑) 電池ID 放電率(A/g) 內部電阻(mΩ-g) 電容(F/g)
小麥稈AHCC+SG 75:10:15 #52-1 0.5 22.05 166.3
5.0 149.4
#52-2 0.5 22.2 159.4
5.0 148.1
#52-3 0.5 19.85 153.6
5.0 138.8
YPAC+SG用於比較 80:10:10 #20-14 0.5 194 74.2
5.0 6.1
#20-15 0.5 186 75.0
5.0 9.6
#20-16 0.5 150 78.9
5.0 31.3
基於上述實驗結果，可以得出結論，與作為參考生物碳原料的椰子殼基經活化碳相比，吹掃氣體處理在增強木質素基經活化碳的特性方面特別有效。發明人在實驗中獲得了有利的結果，該實驗檢驗了使用吹掃氣體處理增強由木漿及小麥稈衍生的黑液生產之經活化碳之特性的有效性。木質素基經活化碳在吹掃氣體處理後顯示出顯著提高的吸附能力及電特性，從而在超級電容器應用中產生高電容值。典型的經活化碳具有高吸附能力，但不適合電特性。吹掃氣體處理可以提高吸附能力及電特性，使衍生自木質素之經活化碳適用於超級電容器及LiS電池組應用中之電極材料。
儘管上面已經討論了多個例示性態樣及實施例，但是熟習此項技術者將認識到其某些修改、排列、添加及子組合。因此，以下隨附申請專利範圍及下文引入之申請專利範圍意圖解釋為包括所有此類與整個說明書的最廣泛解釋一致的修改、排列、添加及子組合。 參考文獻
以下參考文獻對於本文描述的主題係有意義的。以下參考文獻中之每一個以全文引用的方式併入本文中。 • Ahvazi Behzad, et al. (2016), Elucidation and Characterization of West Fraser Black Liquor Derived and AITF Sulfur-Free Lignins for Application’s Development. InnoTech Alberta • Ház, Aleš et al (2019) Chemical Composition and Thermal Behavior of Kraft Lignins, Forests 2019, 10, 483; doi:10.3390/f10060483 • Kupgan, Grit et al. (2017) NLDFT Pore Size Distribution in Amorphous Microporous Materials, Langmuir 2017, 33, 11138−11145 •Marsh, Harry (2006) Activation Carbon. Elsevier Ltd., CA, USA •MyWaterEarth&Sky, The Reason Coconut Shell Is the Best Activated Carbon, https://mywaterearth.com/is-the-best-activated-carbon-woodcoal-or-coconut/ [Accessed 8th Jan 2021] •Water Technology, Coconut shell based activated carbon with no greenhouse gas emission, https://www.watertechonline.com/home/article/15538115/coconut-shell-based-activated-carbon-with-no-greenhouse-gas-emission#:~:text=Coconut%20shell%2Dbased%20activated%20carbons,ideal%20carbon%20for%20water%20purification. [Accessed 8th Jan 2021] •Cui, Xinwel, Adven SuperCap and Battery Technology-Innovation and Commercialization. AdvEn Ind Inc. Published online 2016 • Ház, Aleš et al (2019) Chemical Composition and Thermal Behavior of Kraft Lignins, Forests 2019, 10, 483; doi:10.3390/f10060483 • Rosas, Juana M., et al (2014), Preparation of different carbon materials by thermochemical conversion of lignin, doi: 10.3389/fmats.2014.00029 •Weinstein, Lawrence and Dash, Ranjan, (2013) Supercapacitor carbons: Have exotic carbons failed?, Materials Today, Volume 16, Number 10, October 2013
各種實施例具有多個態樣，至少包括以下態樣： A.如本文所述或本文任何技術方案所敍述的建築或模組化建築構件，其中結合有儲能系統的模組化建築構件或建築的部分係絕熱的。 B.如本文所述或本文任何技術方案所敍述的建築或模組化建築構件，其中結合有儲能系統的模組化建築構件或建築的部分係導熱的。 C.如本文所述或本文任何技術方案所敍述的建築或模組化建築構件，其中結合有儲能系統的模組化建築構件或建築的部分係防風雨的。 D.如本文所述或本文任何技術方案所敍述的模組化建築構件，其中模組化建築構件包括內部或外部包覆面板、地板面板、屋頂面板、台面、樓梯間或櫥櫃。 E.如本文所述或本文任何技術方案所敍述的建築，其中儲能系統結合至建築的牆壁、地板、天花板及/或內部構件中。 F.如本文所述或本文任何技術方案所敍述的建築或模組化建築構件，其中儲能系統永久地結合至模組化建築構件或建築中。 G.如本文所述或本文任何技術方案所敍述的建築或模組化建築構件，其中儲能系統可移除地結合至模組化建築構件或建築中，任擇地藉由容納在可經由出入門、快拆門或可拆卸的覆蓋結構進入的隔間內來進行。 H.如本文所述或本文任何技術方案所敍述的建築或模組化建築構件，其包含用於將儲能系統耦合到建築或容納模組化建築構件的建築的電氣系統的連接器。 I.如本文所述或本文任何技術方案所敍述的建築或容納如本文所述或本文任何技術方案所敍述的模組化建築構件的建築，其中建築係倉庫。 J.一種藉由水熱碳化處理黑液之方法，該方法包含以下步驟：在介於30-80 psig範圍內的初始壓力下在室溫下將黑液置於二氧化碳氛圍下；隨後在介於約900至約1500 psig之間的壓力下將溫度升高至介於200與320℃之間的高溫，任擇地持續介於2-10小時之間的時段，其中所得產物任擇地在水熱碳化後活化以生產經活化碳。 K.如態樣J所述之方法，其中黑液包含自木材製漿製程及/或榖粒製漿製程獲得的黑液，其中榖粒任擇地係小麥稈。
200,300:方法 202,204,208,210,212,214,216,218,220,222,224,226,302,304,306,308,310,312,314,508,510,512,514,516,518,520:步驟 206:活化步驟 400:電阻測試設備 402:粉末狀經活化碳樣品 404:壓縮 406:銅活塞 408:平坦基底 410:圓筒 412:銅線 500:生產製程 502:NaBL 504:KBL 506:水炭 522:最終產品
例示性實施例在附圖的參考圖中示出。本文中所揭示之實施例及圖式意欲視為說明性而非限制性的。
圖1顯示了使用吹掃氣體製程生產經活化碳材料的示例方法。
圖2顯示了使用吹掃氣體製程生產經活化碳材料的示例方法。
圖3顯示了使用吹掃氣體製程生產經活化碳材料的示例方法。
圖4顯示了使用吹掃氣體製程生產經活化碳材料的示例方法。
圖5顯示了使用吹掃氣體製程生產經活化碳材料的示例方法。
圖6顯示了用於量測在一個實例中使用之經活化碳的電導率的例示性設備。
圖7顯示了用於製造供在一個實例中測試用的超級電容器電極的實驗方案。
圖8顯示了使用吹掃氣體製程生產經活化碳材料的示例方法。
圖9顯示了對由衍生自小麥稈製漿過程的黑液製成之經活化碳測定的表面積及碘值。
200:方法
202,226:步驟
206:活化步驟

Claims (39)

  1. 一種生產經活化碳之方法，其包含： 提供木質素或一高木質素原料； 自該木質素或高木質素原料生產經活化碳；以及 將該經活化碳暴露於一第一高溫下的一吹掃氣體中。
  2. 一種生產經活化碳之方法，其包含將該經活化碳暴露於一第一高溫下的一吹掃氣體中，其中該經活化碳包含由木質素或一高木質素原料生產之經活化碳。
  3. 如請求項1或2中任一項之方法，其中該木質素包含木質素A、木質素B、木質素C或其一混合物。
  4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該高木質素原料包含黑液，任擇地來自一牛皮紙製漿製程。
  5. 如請求項1至4中任一項之方法，其中該高木質素原料包含由製漿硬木、軟木或硬木與軟木的一組合生產的黑液，或其中該高木質素原料包含由對一榖粒進行製漿所生產的黑液，任擇地其中該榖粒係小麥稈。
  6. 如請求項1至5中任一項之方法，其中該高木質素原料包含基於重量計至少65%的木質素乾物質含量，或其中該高木質素原料包含基於乾重計至少20%-35%的可回收的木質素含量。
  7. 如請求項1至6中任一項之方法，其中該吹掃氣體包含一惰性氣體與一還原氣體的一組合。
  8. 如請求項7之方法，其中該惰性氣體包含氮氣、氬氣或氦氣；且其中該還原氣體包含氫氣、氨、一氧化碳、組成氣體或合成氣。
  9. 如請求項7或8中任一項之方法，其中該吹掃氣體包含介於約80%與約99%之間的該惰性氣體及介於約1%與約20%之間的該還原氣體。
  10. 如請求項1至9中任一項之方法，其中該第一高溫在約750℃與約950℃之間。
  11. 如請求項1至10中任一項之方法，其中在將該經活化碳暴露於該吹掃氣體中之步驟期間，該吹掃氣體以介於3.5與7.5公尺/分鐘之間的一表觀速度供應。
  12. 如請求項1至11中任一項之方法，其中在將該經活化碳暴露於該吹掃氣體中之步驟期間，使該吹掃氣體噴灑在該經活化碳上或通過該經活化碳。
  13. 如請求項1至12中任一項之方法，其中將該經活化碳暴露於該吹掃氣體中之步驟在大氣壓下進行。
  14. 如請求項1至13中任一項之方法，其中將該經活化碳暴露於該吹掃氣體中之步驟進行介於0.5小時與9小時之間的一時段。
  15. 如請求項1至14中任一項之方法，其中生產經活化碳之步驟包含化學活化或熱活化。
  16. 如請求項1至15中任一項之方法，其中生產經活化碳之步驟包含在一第二高溫下向該木質素或高木質素原料中添加一氧化劑，其中該氧化劑任擇地包含一鹼金屬氫氧化物且其中該第二高溫任擇地包含介於500-900℃之間的一溫度，其中任擇地，活化步驟進行介於約0.5與5小時之間的一時段。
  17. 如請求項1至16中任一項之方法，其包含在生產該經活化碳之步驟之前，使該木質素或高木質素原料經受一碳化製程，其中該碳化製程任擇地包含在一無氧氛圍中在介於約500-900℃範圍內的一溫度下加熱該木質素或高木質素原料持續約5小時的一時段。
  18. 如請求項17之方法，其包含在使該木質素或高木質素原料經受一碳化製程之步驟之後，將經碳化木質素或高木質素原料去灰分，任擇地其中該木質素係木質素B。
  19. 如請求項1至16中任一項之方法，其中該高木質素原料包含黑液，並且其中在生產經活化碳之步驟之前，使該黑液經受一加壓水熱碳化步驟，其中該加壓水熱碳化步驟任擇地藉由以下方式進行：首先將該高木質素原料在室溫下在介於30-80 psig範圍內的一初始壓力下置於一個二氧化碳氛圍下，隨後將該溫度在介於約1000至約1500 psig的一壓力下升高至介於200與320℃之間的一第三高溫，任擇地持續介於2-10小時之間的一時段。
  20. 如請求項1至19中任一項之方法，其中生產經活化碳之步驟包含化學活化，並且其中在生產經活化碳之步驟之後進行一洗滌步驟，任擇地其中使用一強鹼進行該化學活化，並且其中該洗滌步驟包含用一強酸洗滌。
  21. 如請求項1至20中任一項之方法，其包含在將該經活化碳混合物暴露於該吹掃氣體中之步驟之前乾燥該經活化碳混合物。
  22. 如請求項1至21中任一項之方法，其包含在將該經活化碳混合物暴露於該吹掃氣體中之步驟之前將該經活化碳微粉化。
  23. 一種設備，其用於進行如請求項1至22中任一項之方法。
  24. 一種經活化碳，其利用如請求項1至22中任一項之方法製造。
  25. 一種經活化碳，其由木質素或一高木質素原料製造。
  26. 如請求項24或25中任一項之經活化碳，其包含使用氮氣吸附測定的至少2500 m 2/g的一表面積。
  27. 如請求項24至26中任一項之經活化碳，其包含使用氮氣吸附量測的至少0.7 cc/g的一孔體積。
  28. 如請求項25至27中任一項之經活化碳，其包含至少2500 mg/g的一碘值。
  29. 如請求項25至28中任一項之經活化碳，其中該木質素包含木質素A、木質素B或木質素C。
  30. 如請求項25至29中任一項之經活化碳，其中該高木質素原料包含黑液。
  31. 如請求項25至30中任一項之經活化碳，其中該高木質素原料包含自一牛皮紙製漿製程中提取的黑液。
  32. 如請求項25至31中任一項之經活化碳，其中該高木質素原料包含由製漿硬木、軟木或硬木與軟木的一組合生產的黑液。
  33. 如請求項25至32中任一項之經活化碳，其中該高木質素原料包含由對一榖粒進行製漿所生產的黑液，任擇地其中該榖粒係小麥稈。
  34. 如請求項25至33中任一項之經活化碳，其中該高木質素原料包含至少65重量%的木質素乾物質含量，或其中該高木質素原料包含按乾基計算至少20重量%-35重量%的可回收的木質素。
  35. 一種電極，其包含如請求項25至34中任一項之經活化碳。
  36. 一種製造如請求項35之電極之方法，其包含： 形成含有如請求項1至35中任一項所定義之導電經活化碳、一黏合劑及一溶劑的一漿料，其中該黏合劑任擇地包含聚偏二氟乙烯，並且其中該溶劑任擇地為N-甲基吡咯啶酮； 將該漿料塗佈在一導電元件上，其中該導電元件任擇地為鋁箔； 乾燥該漿料；以及 在該導電元件上由經乾燥漿料製造該電極。
  37. 一種超級電容器或電池組，其包含如請求項35之電極。
  38. 一種含有儲能系統的建築或模組化建築構件，該儲能系統包含一超級電容器或電池組，該超級電容器或電池組包含如請求項35之電極。
  39. 一種含有儲能系統的建築或模組化建築構件，該儲能系統包含如請求項25至34中任一項之經活化碳。
TW111105651A 2021-02-17 2022-02-16 用於生產經活化碳基電極材料之吹掃氣體製程 TW202246177A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163150244P 2021-02-17 2021-02-17
US63/150,244 2021-02-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202246177A true TW202246177A (zh) 2022-12-01

Family

ID=82932177

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW111105651A TW202246177A (zh) 2021-02-17 2022-02-16 用於生產經活化碳基電極材料之吹掃氣體製程

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20240140807A1 (zh)
EP (1) EP4294758A1 (zh)
KR (1) KR20230145194A (zh)
CN (1) CN116940524A (zh)
AU (1) AU2022222918A1 (zh)
CA (1) CA3210664A1 (zh)
CL (1) CL2023002389A1 (zh)
TW (1) TW202246177A (zh)
WO (1) WO2022174335A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW202411161A (zh) * 2022-08-17 2024-03-16 加拿大商碳智財科技股份有限公司 經金屬摻雜之活性碳
CN115410834B (zh) * 2022-09-14 2023-05-05 常州大学 一种催化活化制备木质素基超容炭的方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5972537A (en) * 1997-09-02 1999-10-26 Motorola, Inc. Carbon electrode material for electrochemical cells and method of making same
JP4178497B2 (ja) * 2001-02-22 2008-11-12 カシオ計算機株式会社 電気二重層コンデンサの製造装置及び製造方法
JP4342123B2 (ja) * 2001-06-06 2009-10-14 アドバンスト・キャパシタ・テクノロジーズ株式会社 残存活性酸化水素の除去方法
JP5676074B2 (ja) * 2008-10-31 2015-02-25 関西熱化学株式会社 活性炭の改質方法
US8524632B2 (en) * 2010-01-22 2013-09-03 Corning Incorporated High-capacitance and low-oxygen porous carbon for EDLCs
JP2014225574A (ja) * 2013-05-16 2014-12-04 住友電気工業株式会社 キャパシタおよびその充放電方法
JP6297285B2 (ja) * 2013-09-11 2018-03-20 株式会社キャタラー ハイブリッドキャパシタ用活性炭およびその製造方法
KR101689479B1 (ko) * 2015-10-15 2016-12-23 지에스에너지 주식회사 전기이중층 커패시터 전극용 활성탄 및 이의 제조방법
JP2017208444A (ja) * 2016-05-18 2017-11-24 株式会社クラレ 改質活性炭の製造方法
US11634330B2 (en) * 2017-02-27 2023-04-25 Kuraray Co., Ltd. Carbonaceous material and method for producing same
WO2019161272A1 (en) * 2018-02-15 2019-08-22 North Carolina State University Synthesis of micron and nanoscale carbon spheres and structures using hydrothemal carbonization

Also Published As

Publication number Publication date
US20240140807A1 (en) 2024-05-02
CN116940524A (zh) 2023-10-24
KR20230145194A (ko) 2023-10-17
CL2023002389A1 (es) 2024-01-12
WO2022174335A1 (en) 2022-08-25
AU2022222918A1 (en) 2023-09-21
EP4294758A1 (en) 2023-12-27
CA3210664A1 (en) 2022-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3168849B1 (en) Nonaqueous lithium-type power storage element
US7691782B2 (en) Active carbon, production method thereof and polarizable electrode
JP5654820B2 (ja) 正極材料及びその製造方法並びに蓄電素子
KR101516461B1 (ko) 비수계 리튬형 축전 소자용 정극 재료
US8845994B2 (en) Electrode active material having high capacitance, method for producing the same, and electrode and energy storage device comprising the same
KR101676214B1 (ko) 비수계 리튬형 축전 소자
US20240140807A1 (en) Sweeping gas process for production of activated carbon-based electrode materials
WO2014034859A1 (ja) リチウムイオンキャパシタ負極用炭素質材料及びその製造方法
JP2010205827A (ja) 非水系リチウム型蓄電素子
JP6815305B2 (ja) 非水系リチウム蓄電素子の製造方法
TWI760334B (zh) 碳質材料及其製造方法、以及含有該碳質材料之電雙層電容用電極材料、電雙層電容用電極及電雙層電容
EP4235720A1 (en) Nonaqueous alkali metal power storage element and positive electrode coating liquid
JP6705899B2 (ja) 非水系アルカリ金属イオンキャパシタ
JP2020013875A (ja) 非水系リチウム蓄電素子
JP7184555B2 (ja) 正極前駆体
JP7481707B2 (ja) 非水系アルカリ金属蓄電素子
TW202411161A (zh) 經金屬摻雜之活性碳
JP7219118B2 (ja) 非水系リチウム型蓄電素子用正極
JP5367974B2 (ja) 電気二重層キャパシタ用電極材料、および該電極材料用添加材
CN118830101A (zh) 金属掺杂的活性炭
JP2008085358A (ja) 電気二重層キャパシタ電極用炭素材
JP6815146B2 (ja) 非水系リチウム型蓄電素子
JP2024011848A (ja) 非水系アルカリ金属蓄電素子
JP2024011759A (ja) 非水系リチウム蓄電素子
JP2019029380A (ja) 非水系リチウム蓄電素子用の捲回電極体の乾燥方法