[发明专利]用于EDLC的微孔活性炭

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年1月22日提交的美国临时申请第61/297469号的优先权，其完整内容通过参考结合于此。

技术领域

本发明一般涉及活性炭材料，更具体地涉及包含活性炭基电极的双电层电容器。

背景技术

超级电容器之类的储能装置可以用于许多需要离散的功率脉冲的用途。示例性应用的范围是从手机到混合动力汽车。储能装置通常包含多孔隔膜和/或夹在一对碳基电极之间的有机电解质。能量的储存是通过在电解质与电极之间界面处的电化学双电层中分离和储存电荷来实现的。这些装置的重要特性是它们所能提供的能量密度和功率密度，这两个特性均在很大程度上取决于碳基电极的性质。

适合用来结合入高能量密度装置的碳基电极是人们已知的。构成这种电极的基础的碳材料可用天然或合成前体材料制成。已知的天然前体材料包括煤、坚果壳和生物质，而合成前体材料通常包括酚醛树脂。不管是天然前体还是合成前体，碳材料均可通过先碳化前体，然后活化所得的碳来形成。活化可包含物理（例如蒸汽）或化学活化。

碳的比电容是影响该材料能否被成功结合到高能量密度装置如双电层电容器（EDLC）中的性质。比电容越高，通常导致所得装置的体积能量密度越高。因此，如果能提供活性炭材料以及制备具有高比电容的活性炭材料的方法，那将是有利的。这种材料可用来形成碳基电极，利用所述碳基电极可得到能量密度更高的装置。

发明内容

根据一个实施方式，双电层电容器电极包含微孔碳，其中微孔碳包含：尺寸等于或小于1nm的孔，这些孔提供至少为0.3cm³/g的合并孔容；尺寸为1-2nm的孔，这些孔提供至少为0.05cm³/g的合并孔容；尺寸大于2nm的任何孔的合并孔容小于0.15cm³/g。

在以下详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。

包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1是根据多个实施方式的微孔活性炭材料的孔容-孔尺寸图；

图2是对比活性炭材料的孔容-孔尺寸图；

图3是从椰子粉得到的微孔活性炭材料的孔容-孔尺寸图；以及

图4A-4D显示了微孔活性炭材料（A和B）以及对比活性炭材料（C和D）的拉曼光谱谱图。

具体实施方式

根据本发明的一个实施方式，双电层电容器电极包含微孔碳，其中微孔碳包含：尺寸最大为1nm的孔，这些孔提供至少为0.3cm³/g的合并孔容；尺寸为1-2nm的孔，这些孔提供至少为0.05cm³/g的合并孔容；尺寸大于2nm的任何孔的合并孔容小于0.15cm³/g。

本文所定义的微孔的孔尺寸等于或小于2nm。中孔的孔尺寸为2-50nm。大孔的孔尺寸大于50nm。在一个实施方式中，活性炭主要包含微孔。本文所用的术语“微孔碳”及其变体是指主要（例如至少50%）包含微孔的活性炭。微孔活性炭材料可具有大于50%的微孔孔隙率（例如大于50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%的微孔孔隙率）。用所述方法制备的碳材料的比表面积可大于约300m²/g，即大于300、350、400、500或1000m²/g。例如，微孔碳材料的比表面积小于2500m²/g，即小于2500、2000、1500、1200或1000m²/g。

包含碳基电极的EDLC的性能可能与碳的性质密切相关。具体而言，可用的总孔隙率和孔尺寸分布会影响EDLC性能。一般认为，为了使电解质离子到达碳材料的内表面，需要显著量的中孔。本发明表明，主要为微孔而中孔孔隙率很小的活性炭在EDLC中表现出优异的性能，并且其体积比电容（或能量密度）显著高于具有大量中孔孔隙的市售碳的体积比电容（或能量密度）。此优点可归因于本文所揭示的碳材料的独特孔尺寸分布。