[发明专利]一种高比电容量超级电容器用活性炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种活性炭的制备方法，具体说是涉及一种高比电容量超级电容器用活性炭的制备方法，该方法尤其适用于制备高比电容量超级电容器用活性炭。

背景技术

超级电容器是一类介于普通电容器与电池之间的新型储能器件，它兼有普通电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点，而且充电速度快、循环寿命长、对环境无污染，在电动汽车、信息技术、航天航空及国防科技等领域具有广阔的应用前景。近年来，随着超级电容器应用领域的不断拓展，人们对具有高比容量、良好稳定性的超级电容器提出了迫切的要求。

超级电容器主要由集电流体、电解液、电极材料、隔膜等部件组成，其中电极材料对超级电容器的性能起着关键性作用，它是超级电容器的核心部件。目前，尽管新的材料层出不穷，但活性炭仍以其良好的导电性、高的比表面积、稳定的化学性质、可控的孔结构及低廉的价格等优势，一直是超级电容器电极材料的首选。

煤炭不仅是优质的燃料，而且是宝贵的炭材料，是生产活性炭的优质原料。以煤为原料制备活性炭的技术已相当成熟。如公开号为CN1202004C和CN1178853C的专利文献公开了以煤为原料，采用物理活化法制备用作气相及液相吸附剂的煤基活性炭。公开号为CN1120800C的专利文献公开了一种煤基中孔活性炭的制备方法。公开号为CN1032056C的专利文献公开了利用优质褐煤制备高吸附性能活性炭。

基于超级电容器主要依靠静电荷在电极和电解液界面之间形成双电层储存能量，因此要求电极材料应具有较高的比表面积。理论上讲，活性炭电极材料的比表面积越大，超级电容器的比电容量越大，但实际情况却复杂得多。因为除了比表面积之外，活性炭的孔径分布、表面润湿性、表面官能团及导电性等都对超级电容器的电化学性能有着重要影响。只有综合考虑各种因素，选择合理的原料及活化工艺，才能制备出具有高比电容量的超级电容器用活性炭。显然，上述专利方法所制备的活性炭并不适宜于用作超级电容器用活性炭。

此外，煤炭种类繁多、变质程度各异、矿物质含量大等特点决定了以煤为原料制备性能稳定的超级电容器用活性炭的难度很大。煤是一种结构复杂的有机混合物，在显微镜下可分为性质不同的镜质组、壳质组和惰质组等煤岩显微组分。 能否打破研究者往往把煤作为一个整体来制备活性炭的常规思维方式，而以煤炭有机显微组分为原料来制备超级电容器用活性炭的研究尚未见报道。文献1（新型炭材料，2000，15（2）：61－64）、文献2（煤炭学报，2000，25（3）：299－302）及文献3（新型炭材料，2005，20（1）：63－66）曾以富集的镜质组和惰质组为原料，经成型、炭化和水蒸汽活化等过程，制得比表面约为1000m²/g的普通柱状活性炭，该类活性炭比表面积相对较低，孔结构以微孔为主，且制备过程中没有考虑到超级电容器用活性炭的特殊要求，故也不适合用作超级电容器电极材料。

KOH活化法作为制备高比表面积活性炭的有效方法之一，受到广大科学研究者的青睐，并成功应用于超级电容器用活性炭制备领域。如公开号CN100572270C的专利文献公开了以秸秆为原料，KOH为活化剂制备有机系超级电容器用活性炭，原料炭化后与KOH按照质量比为3:1混合，在680～760℃下活化1.5小时，可制得比电容为221F/g的活性炭材料；申请号为200810121556.0的专利文献公开了以生物质为原料，KOH为活化剂，采用两段活化法制备超级电容器用活性炭，其两段活化温度分别为500～600℃、700～900℃，活化时间为2～3小时。分析发现，采用KOH活化法制备超级电容器用活性炭的现有技术中，活化条件比较苛刻，一般都采用5～20℃/min的升温速率，在高温（700～900℃）条件下活化1～3小时，且活化结束后普遍采用自然冷却方式，活化历程长，能耗及生产成本高。此外，高温活化对设备的腐蚀性强，人工操作危险性高，不利于大规模工业生产。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种原料来源广泛、活化条件温和、生产周期短、成本低、比表面积高，孔径分布合理，导电性好，且具有优异电化学性能的高比电容量超级电容器用活性炭的制备方法。

本发明以低阶煤中的镜质组和惰质组为前躯体制备超级电容器用活性炭，其方法特点是选择低变质程度的褐煤或长焰煤为原料，依次经过原料预处理、显微组分分离、活化、酸浸、水洗等工艺步骤，制得超级电容器用活性炭材料；在活性炭的活化过程中采用快速升温、中低温活化及反应快速终止相结合的活化方式来进行。

本发明的目的可通过下述技术措施来实现：