一種超級電容器電極用活性炭的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超級電容器電極用活性炭材料的制備方法，屬于超級電容器電極材料領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]超級電容也稱電化學(xué)電容器，是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的一種電化學(xué)儲能裝置，具有壽命長、溫度特性好、功率大和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，作為電子設(shè)備和汽車的電源具有廣泛的應(yīng)用前景。超級電容器器件主要由電極、電解質(zhì)、隔膜、端板、引線和封裝組成，其中電極材料的性能是決定該器件性能的關(guān)鍵。超級電容器的電極材料主要有碳材料、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物三種類型，活性炭因其比表面積大，電化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)成為超級電容器使用最廣泛的電極材料。
[0003]活性炭材料種類繁多，中國市場上以資源豐富的廉價(jià)煤基活性炭為主(目前主要用于水處理、空氣凈化、工業(yè)脫色等領(lǐng)域)，而煤基活性炭由于導(dǎo)電性較差、孔徑分布不合理等問題，難以直接作為超級電容器電極材料使用；以生物質(zhì)為原料制備的超級電容器電極用碳材料價(jià)格相對昂貴(是吸附用活性炭的十倍以上)，而且因原材料及制備工藝不同，性能參差不齊。因此，以資源豐富的廉價(jià)煤基活性炭為原料制備可用于超級電容器電極的廉價(jià)高性能多孔活性碳材料具有重要的應(yīng)用前景。
[0004]超級電容器電極用活性碳材料的制備過程中，炭材料的活化步驟最為關(guān)鍵。通?；罨椒煞譃槲锢砘罨ê突瘜W(xué)活化法兩大類:物理活化法又稱氣體活化法，包括水蒸氣活化法、二氧化碳活化法等，活化過程時(shí)間長，效率相對較低；化學(xué)活化法有磷酸活化法、氫氧化鉀活化法等，常用的活化劑固體Κ0Η活化工藝為:堿與炭原料質(zhì)量比為(1?4):1，活化溫度600?1000'原料不同生產(chǎn)工藝略有差別。由于這種工藝用堿量大，對設(shè)備腐蝕性大、能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重。因此，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足制備廉價(jià)高效的超級電容器電極材料具有重要的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種超級電容器電極用活性炭材料的制備方法，以吸附用煤基活性炭為原料改性制備用于超級電容器電極的活性炭材料，制備出的產(chǎn)品具有大的比表面積和優(yōu)良的電化學(xué)性能。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種超級電容器電極用活性炭材料的制備方法，包括以下步驟:
(1)破碎:將煤基活性炭粉末與水按質(zhì)量比1: 1.5?2的比例混合成糊狀，采用三輥式研磨機(jī)進(jìn)行破碎，保證煤基活性炭粉末有效破碎至1?10微米的粒徑范圍；隨后將破碎后得到混合物過濾，得濾餅；
(2)配制堿金屬氫氧化物溶液:按照分析純Κ0Η與去離子水的質(zhì)量比為0.5?1: 1的比例，向盛有固體Κ0Η的容器中緩慢加入去離子水，邊加水邊攪拌，待Κ0Η完全溶解，溶液冷卻至室溫即可；
(3)將步驟(1)得到的濾餅按質(zhì)量(kg)與KOH溶液的體積(L)之比為1: 2加入到KOH溶液中，攪拌混合均勻，隨后將混合物置于真空度為-0.1MPa的真空箱中20?30分鐘，取出后，在常壓條件下繼續(xù)浸泡2?5小時(shí)；
(4)將步驟(3)浸泡濾餅的混合溶液經(jīng)過濾分離后，煤基活性炭濾餅進(jìn)入后續(xù)活化過程，而濾液能回收反復(fù)使用；
(5)采用惰性氣體-水蒸氣循環(huán)活化法對步驟(4)煤基活性炭濾餅進(jìn)行活化，獲得高比面積的廉價(jià)多孔活性碳材料；具體為:
(5.1)把步驟(4)煤基活性炭濾餅置于熱解爐中，通入流量約為50?200 ml/min的惰性氣體，以5?10°C /min的加熱速度加熱至活化溫度700?800°C，保溫10?20分鐘；(5.2)水蒸氣的流量按每克步驟(4)煤基活性炭濾餅0.2?0.5 ml/min的水蒸氣設(shè)定，通入水蒸氣活化10?20分鐘，然后停止通水蒸氣；如此交替進(jìn)行步驟(5.1)、(5.2)，總活化時(shí)間為40?120min ；
(6)洗滌、干燥:洗滌活化后的物質(zhì)，直到洗滌液的pH值為中性；將洗滌后的固體干燥，即得超級電容器電極用活性炭材料。
[0007]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于為:
(1)本發(fā)明采用輥式研磨機(jī)對原料進(jìn)行濕式破碎，可進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)并能有效控制粉末粒徑，避免了原材料在破碎過程中產(chǎn)生粉塵造成環(huán)境污染；
(2)本發(fā)明采用堿金屬氫氧化物溶液真空浸漬煤基炭的方法，一方面加快Κ0Η溶液在活性炭中的擴(kuò)散吸附過程，提高了 Κ0Η與炭顆粒接觸程度及分布的均勻性；另一方面大幅降低堿性活化劑的用量，進(jìn)而減輕后續(xù)高溫活化過程中堿對設(shè)備的腐蝕及環(huán)境污染問題；浸泡炭材料的混合溶液經(jīng)過濾分離后，濾液(Κ0Η溶液)可多次反復(fù)使用；
(3)本發(fā)明采用惰性氣體-水蒸氣循環(huán)活化來強(qiáng)化活化反應(yīng)過程，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，節(jié)約能耗，降低污染，制得高比面積的廉價(jià)多孔活性碳材料孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育更為成熟，作為超級電容器電極材料時(shí)電容性能好。
[0008]綜述，本發(fā)明采用工業(yè)吸附用煤基活性炭為原料，通過機(jī)械破碎、堿金屬氫氧化物溶液真空浸漬、惰性氣體-水蒸氣循環(huán)活化的方法，制備出多孔構(gòu)造的活性炭材料在超級電容器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0009]圖1為原料(a)及經(jīng)三輥研磨機(jī)破碎后的材料(b)的掃描電鏡對比圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2制備的活性炭電極的循環(huán)伏安曲線；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例3制備的活性炭的比容量。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面的實(shí)施例將對本發(fā)明予以進(jìn)一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。
[0011]實(shí)施例1
以吸附用煤基活性炭(市售吸附用活性炭為)原料，將原料粉末與水按1: (1.5?2)的比例混合成糊狀，采用三輥研磨機(jī)粉碎至輥間距小于0.01 mm,能把煤基活性炭粉末破碎至1?10微米的粒徑范圍；將破碎后經(jīng)過濾所得的炭濾餅按質(zhì)量(kg)與KOH溶液的體積(L)之比為1: 2加入到濃度為30%K0H溶液中(要注意防范由于KOH溶解放熱出大量熱量而引起的液體沸騰飛濺現(xiàn)象)，攪拌混合均勻后，于真空度為-0.1MPa的真空箱中放置20分鐘，取出后，在常壓條件下浸泡5小時(shí)，過濾，濾餅待用。稱取100克的濾餅置于熱解爐中，在流量是50 ml/min的氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以10°C /min的加熱速度加熱至活化溫度700°C，先保溫15分鐘，再通入流量為20ml/min的水蒸氣活化15分鐘，然后停止通水蒸氣，如此交替進(jìn)行達(dá)到總活化時(shí)間60min ;活化后的產(chǎn)物，先用2mol/L的HC1溶液洗滌，再用蒸餾水洗滌，直至洗滌液的pH=7，最后在120°C干燥2h，即得超級電容器電極用活性炭材料。
[0012]實(shí)施例2
以吸附用煤基活性炭(市售吸附用活性炭為)原料，將原料粉末與水按1: (1.5?2)的比例混合成糊狀，采用三輥研磨機(jī)粉碎至輥間距小于0.01 mm,能把煤基活性炭粉末破碎至1?10微米的粒徑范圍；將破碎后經(jīng)過濾所得的炭濾餅按質(zhì)量(kg)與Κ0Η溶液的體積(L)之比為