[发明专利]用于超级电容器电极的多孔成型木炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于超级电容器电极的木炭的制备方法。

背景技术

超级电容器是近年来出现的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，因其具有比功率大、质量轻、可快速充放电、循环寿命长、使用温度范围宽和污染小等诸多优点而受到广泛关注。超级电容器主要分为双电层型超级电容器和氧化还原型超级电容器。双电层型超级电容器的比容量主要由材料的表面积决定，其理论容量与电极材料的比表面积成正比。目前主要是通过采用活性炭或碳纳米管做电极材料，其比容量可达200F/g。用纯活性炭或者碳纳米管作为电极的超级电容器，由于碳材料在水溶液中的浸润性较差，其低比容量问题已成为制约其作为超级电容器电极材料而大规模使用的瓶颈因素。

目前，人工合成多孔成型炭材料可以具有分级多孔结构，不仅可以直接用做电极材料，也可以作为载体与金属氧化物和氢氧化物复合，制备成复合电极材料。但直至目前，人工合成多孔碳的制备工艺仍然复杂，成本较高，且硅模板难以去除干净，导电性不易提高，因而不利于大规模工业化生产和实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超级电容器电极的多孔成型木炭的制备方法。

本发明是用于超级电容器电极的多孔成型木炭的制备方法，采用木块直接碳化法制备多孔成型木炭，然后通过化学改性制备出具有高容量的多孔成型木炭电极材料，其具体步骤为：

(1)将木块切割成长、宽、高各为2cm、1cm、0.3cm的长方体状；并转移至坩埚，置于管式炉中；

(2)利用真空泵将石英管中的空气抽出，使其内压小于10Pa；然后向抽真空管内通入惰性N₂至常压，并以70～80mL/s的气体流量继续通气；

(3)以3℃/min的升温速率开始升温至管内温度达900℃，并保温6小时，使木块完全碳化，即得到多孔成型木炭；

(4)将制备的多孔成型木炭转移至圆底烧瓶中，加入浓度为2mol/L的硝酸溶液，80℃恒温回流2小时；冷却后用去离子水冲洗干净；在80℃烘干即可直接用作电极材料。

本发明所用材料的来源丰富，制作工艺简单且具有分级多孔结构，超级电容性能优异，经化学改性后可达160F/g，适合于大规模生产应用。除此之外，所制备的多孔成型木炭，既可以直接用作超级电容器电极材料，不需要添加石墨和聚合物粘结剂等添加剂，因而不会影响电极的导电性。同时由于避免了压片过程，活性物质的微观结构和表面形貌都能够完整地保持，不会使电容器的输出比容量因其材料结构被破坏而降低。

具体实施方式

本发明的实施步骤为：将木块切割成长、宽、高各为2cm、1cm、0.3cm的长方体状，然后置于管式炉中在氮气保护下900℃炭化6小时制得多孔成型木炭。所制得的多孔成型木炭采用2mol/L硝酸溶液进行化学改性，即在2mol/L硝酸溶液中80℃回流2小时。改性后用蒸馏水冲洗干净，于80℃烘干即可直接用作电极材料制备成品电极。

本发明所说的木块为松木、柏木、椿木、杏木、杨木、槐木和梧桐树木中的一种或几种。

由以上方法制备的多孔成型木炭材料可以直接用作超级电容器电极材料。以铂丝作为导线，插入多孔成型木炭并用导电胶固定，即可得到成品电极。超级电容器采用非对称性结构装置，正极为由多孔成型木炭材料制作的成品电极，负极为活性炭材料，电极隔膜为聚丙烯微孔膜和聚乙烯醇膜中的一种，电解液为2mol/L氢氧化钾碱液。

本发明的具体实施方式：

(1)将木块切割成长、宽、高各为2cm、1cm、0.3cm的长方体状；

(2)将上述小木块转移至坩埚中，并置于管式炉中；

(3)利用真空泵将石英管中的空气抽出，使其内压小于10Pa；

(4)向抽真空管内通入惰性N₂至常压，然后用质量流量计控制气体流量为70～80mL/s；

(5)以3℃/min的升温速率开始升温至管内温度达900℃，并保温6小时，使木块完全碳化，即得到多孔成型木炭。

(6)将制备的多孔成型木炭转移至圆底烧瓶中，加入浓度为2mol/L的硝酸溶液，80℃恒温回流2小时。冷却后用二次蒸馏水冲洗数次，并置于二次蒸馏水中浸泡1小时。80℃烘干即可直接用作电极材料。