[发明专利]用于超级电容器电极的烟杆基多孔炭材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及非金属炭材料的制备方法，特别涉及用于超级电容器电极的多孔炭材料的制备方法。

背景技术

多孔炭材料作为超级电容器的理想电极材料，其性能主要取决于内部的孔结构，包括孔径大小，孔径分布、孔形和孔容等，有效地控制孔结构是获得高性能多孔炭的关键所在。目前市场上超级电容器电极用多孔炭材料多采用化学活化法制备，其中最常用的化学活化剂为KOH，究其原因是该法能得到高（>2000m2/g）比表面积的多孔炭材料。

采用KOH为活化剂时，由于其腐蚀性大，对设备要求很高，其间为了追求高比表面积，KOH加入量往往较大（用量为被活化物质的3~4倍），使得生产成本增加；同时，该法制得的多孔炭材料多属于微孔炭，平均孔径< 2 nm，用作超级电容器电极材料时，存在大电流密度下尤其是在有机电解液中容量衰减严重，功率特性降低等问题。

CN1872674A公开了一种用于超级电容器用多孔炭材料的制备方法，采用石油焦为富碳源料，经过预炭化后，与KOH按重量比为1:4~1:6进行浸渍混合，经过活化造孔后得到炭质电极材料，所得多孔炭材料比表面积在1500~2000m2/g，平均孔径在2~3nm。该方法KOH的使用量较大，生产成本高，同时该专利中并未给出该多孔炭材料在不同电解液中电化学性能如比电容值的大小。

CN1693189A公开了一种可用于超级电容器电极材料、锂离子电池负极材料等领域的富含中孔高比表面积活性炭的制备方法，其以石油焦粉末为原料，通过KOH 水溶液浸渍并加入金属盐，其中KOH与石油焦浸渍质量比例为3~6:1、脱水及活化后制得。制得了BET比表面积为2000～2900 m2/g、中孔孔容为0.6～1.5 cm3/g及平均孔径为1.3～2.6 nm的高比表面积活性炭，该多孔炭材料适合于无机电解液，比电容达到270~300 F/g。但同样该法KOH用量大，污染严重，成本较高。

CN166998A公开了一种生产高比表面积活性炭的方法，以烟杆固体废弃物为原料，经粉碎，干燥后，用氢氧化钾溶液浸渍，氢氧化钾溶液与烟杆废弃物的质量比为1∶1～5∶1，置入微波辐射装置中加热到600℃，保温一段时间出炉；再用盐酸溶液酸洗，用热水洗涤、烘干得到高比表面积活性炭产品。制得的多孔炭材料比表面积在2000～2500 m2/g 。该法KOH活化剂用量高，而且需要采用昂贵的微波装置，进一步增加了生产成本。

因此选择合适的炭前驱体原料和活化剂，确定适宜的活化工艺，保证多孔炭材料的孔隙结构和比表面积适用于超级电容器电极的同时降低环境污染和生产成本，是解决问题的关键。

发明内容

本发明旨在提供一种环保好、生产成本较低且制备的材料比表面积高、孔径分布均匀、比电容值较高且电性能优良的用于超级电容器电极的多孔炭材料的制备方法，

本发明的实现方案如下：

多孔炭材料的制备方法，包括以下步骤。

步骤一　原料预处理：将原料烟杆废弃物通过化学脱水的方式进行干燥处理，然后磨粉制得烟杆粉末；一般而言，需在250~400 ℃的温度下化学脱水0.5~2 h，然后将干燥后的原料烟杆废弃物破碎至5 mm以下。所用原料烟杆废弃物优选其中的金属盐类和矿物质的质量之和占总质量8~13%。

步骤二　烟杆粉末的炭化-活化处理：将步骤一所制得的干燥的烟杆粉末置于活化剂溶液中浸泡8~12 h，经脱水干燥后进行炭化-活化处理，冷却后制得含有杂质的多孔炭材料；其中所述活化剂选自Na2CO3、K2CO3、NaHCO3或KHCO3 中的一种或几种，且活化剂溶液中碱金属离子的总浓度为2.0～3.8 mol/L，活化剂溶液与烟杆粉末样的质量比范围为（0.5～2）:1。

当所述活化剂采用不同金属阳离子的碳酸盐时，其混合比值为0.5~2。

炭化—活化处理可采用现有技术，即在120 ℃脱水干燥后放入活化炉中，在保护气氛下进行炭化-活化处理，升温速率为5~10 ℃/min，最高温度为950~1050 ℃，炭化-活化时间为0.5~2 h。

步骤三　杂质多孔炭材料的提纯处理：将步骤二所制得的含有杂质的多孔炭材料先用热水浸泡4~8 h，再用体积浓度为10~20 %盐酸溶液浸泡，控制溶液的pH值在2~3，而后再用热水洗涤，控制洗涤后物料的pH值为6.5~7，烘干后得到多孔炭材料；热水的水温一般控制在80～90℃，所用水一般为去离子水，烘干温度约为120 ℃。