[发明专利]多孔焦炭

说明书

本发明涉及多孔焦炭，它可用作电化学电容器的电极材料。

电化学电容器是通过在电极/电解质界面处隔开双电层内荷电物 种而储存电能的器件。这种电容器中的电极必须导电且在宽泛范围的 电压内电化学惰性。此外，甚至在数量较大的充电/放电循环中，电容 必须没有显著劣化。

美国专利6882517公开了具有类似于石墨的层状晶体结构的微晶 碳。该材料的特征在于小于或等于300m²/g的比表面积(这通过氮气吸 附法来测定)且微晶碳的层间距d₀₀₂在0.360-0.380纳米范围内。

微晶碳材料的制备包括下述步骤：

(i)制备含具有类似于石墨的层状晶体结构的微晶碳的原料；

(ii)在惰性气体氛围内，在600-900℃的温度范围内热处理该原 料，然后冷却到等于或低于100℃，和

(iii)活化处理该碳材料。

可通过混合苛性碱与热处理过的碳原料，并优选加热到至少400 ℃的温度，更优选至少800℃，进行活化。苛性碱包括KOH、NaOH、RbOH、 CsOH和类似物，以及苛性碱的混合物(例如KOH和NaOH)。在这些当中， 优选KOH。

例如，在等于1-4倍的质量比下，混合热处理过的原料碳与苛性 碱，并在惰性气体氛围内经1-6小时加热到以上所述的温度范围。

在活化之后，通过用水清洁、蒸汽清洁或类似步骤，除去碱。另 外，可采用其他方法，其中包括用酸中和、电化学处理、超声处理和 类似处理。然而，当结合多种处理方法时，优选在最后的阶段中进行 水清洁。优选继续这种水清洁，直到排出的水pH接近于7。

电化学电容器用电极的制备是本领域已知的。例如，当制备片材 电极时，碳电极材料被粉碎成约5-100微米的尺寸范围，并调节粒度。 然后，向其中添加传导剂，例如赋予微晶碳粉导电性的炭黑和粘合剂， 例如PTFE，并捏合该材料。然后辊压已捏合的材料并拉伸成片材形状， 获得碳电极。还可使用粉末石墨和类似物作为传导剂，和PVDF、PE、 PP和类似物作为粘合剂。微晶碳、传导剂和粘合剂的配混比设定为例 如10∶1∶0.5-10∶0.5∶0.25。采用各自含有质量比为10∶1∶0.5的微晶 碳材料、炭黑添加剂和PTFE粘合剂的组合物的阳极和阴极组装双电层 电容器。根据放电曲线测定整个电容器的电容。以体积电容(用这一电 容除以两个电极的体积计算)形式给出电容。获得约35F/ml的体积电 容。电容器的体积电流密度为约44Wh/l。

根据美国专利6882517，必然的是，碳原料具有类似于石墨的层 状晶体结构。更具体地，要求通过X射线衍射方法测定的原料碳的层 间距d₀₀₂在0.34-0.35纳米范围内和X射线衍射峰的积分强度对应于 等于或大于10％石墨的002晶格平面。此外，要求当在惰性气体氛围 内加热碳原料到2800℃的温度时，获得层间距d₀₀₂等于或低于0.337 纳米和微晶尺寸La₁₁₀等于或大于80纳米。因此，要求原料具有高的 石墨化能力。发现不满足这一标准的原料得到差的电容，尽管存在下 述事实：没有显示出所需微晶结构的大多数碳材料的比表面积高得多。

令人惊奇地发现，碱处理不容易石墨化的这类焦炭导致优良的电 极材料，从而当在双电层电容器中使用时，提供单独的电极高的电容 (最多160F/g)。

因此，发明人提供由难以石墨化(几乎不能石墨化)的焦炭获得的 多孔焦炭，获得这一多孔焦炭的方法，含所述多孔焦炭的用于双电层 电容器的电极，以及含至少一种所述电极的双电层电容器。

通过用苛性碱处理难以石墨化的非煅烧的焦炭，获得本发明的多 孔焦炭。因此，本发明提供多孔焦炭，它是碱处理非煅烧的难以石墨 化的焦炭的产物，且它适用作双电层电容器用的电极材料。

本发明的双电层电容器包括两个电极和装在电极之间的电解质， 其中至少一个电极含有多孔焦炭，所述多孔焦炭是碱处理非煅烧的难 以石墨化的焦炭的产物。

在结合实施例和参考附图的下述详细说明中，解释了本发明进一 步的特征、细节、优点和变体。附图示出了：

图1：具有含水电解质的本发明电容器的循环伏安图

图2：具有有机电解质的本发明电容器的循环伏安图