[发明专利]一种用棉秆基活性炭材料制备超级电容器电极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用棉秆基活性炭材料制备超级电容器电极材料的方法，属于电化学领域。

背景技术

化石能源的枯竭以及全球气候变暖的问题使人们对可再生能源的开发利用日益重视，新型能源的开发和利用成为当今世界的一个重要课题。伴随着信息化高科技时代的来临，能源应用形态正在发生变化，可再生、无污染、小型分立的可移动高性能电源需求快速增长。目前市场上的铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池等其共同特点是具有较高的能量密度，但功率密度很低，充电时间长。因而难以满足对功率密度要求很高的储能装置的应用领域(如航天领域和现代化武器装备等)，这些传统的蓄电池根本不能满足需求。因此人们期待着具有高能量密度、高功率密度、长寿命的新型绿色储能器件的出现。

超级电容器(supercapacitors)又称电化学电容器(electrochemicalcapacitors，ECS)，它是一种介于二次电池和传统电容器之间的新型储能元件。它具有功率密度高、循环寿命长、能瞬间大电流充放电、工作温度范围宽、安全、无污染等优点，在电动汽车、不间断电源、航空航天、军事等诸多领域均有广阔的应用前景。因此，超级电容器引起了国内外研究者的广泛关注，成为当前化学电源领域的研究热点之一。

从电化学电容器的工作原理可以看出，作为超级电容器电极材料应该具有如下特点：(1)比表面积大、孔隙结构发达，能吸附大量电解质；(2)化学稳定性高，能够在各种酸碱溶液中良好的工作；(3)在很宽的温度范围内性能稳定；(4)易加工成各种形状的电极；(5)价格低廉、来源丰富；(6)不含有重金属，对环境无污染。

碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料，现在已有许多不同类型的炭材料被证明可用于制备超级电容器，如活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管等。在这些炭材料中，活性炭以其比表面积大、孔容量高、材料来源广泛、价格相对低廉等特点，成为目前商业化超级电容器首选电极材料。

目前，棉花是纺织工业的主要原料，又是中国重要的经济作物之一，在种植业中起着举足轻重的作用。随着中国农业的发展，棉花产量大幅上升，目前中国在世界上四大产棉国中位居第二。与此同时，棉花种植业还得到大量的副产物-棉秆。如能将这些棉秆充分利用，其经济效益和社会效益十分巨大。目前尚无将棉秆经适当的方法处理而制取超级电容器用活性炭材料的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用棉秆基活性炭材料制备超级电容器电极材料的方法，该方法以棉秆为原料，将棉杆经去皮粉碎后与活化剂混合浸渍，然后进行活化处理、洗涤、烘干等工艺后，得到超级电容器用活性炭电极材料。本发明制备的超级电容器用活性炭电极材料具有较高的比表面积和较好的电容特性。组装成的模拟纽扣式超级电容器具有较高的比电容、较小的等效串联电阻以及较高的充放电效率等。本发明对增加棉秆的经济附加值、实现棉秆的可持续发展，以及提高超级电容器性能、降低电极材料生产成本具有重要意义。

本发明所述的一种用棉秆基活性炭材料制备超级电容器电极材料的方法，按下列步骤进行：

a、将棉秆去皮、粉碎、过筛80-140目得到颗粒；

b、将粉碎的棉秆颗粒于温度80℃条件下烘干；

c、将烘干后的棉秆颗粒与活化剂按质量比1∶2-5混合浸渍5-12h；

d、将浸渍后的棉秆颗粒于温度80℃条件下烘干，得到混合物；

e、在惰性气体保护或真空条件下，将步骤d得到的混合物以温度2-5℃/min的升温速率升至温度500-900℃，恒温2-5h进行活化，活化的反应温度为500-900℃，活化反应时间为2-5h，得到活性炭材料；

f、将步骤e中得到的活性炭材料随炉降温至室温，经洗涤至中性，然后于温度100℃下进行干燥处理，即可得到超级电容器电极材料。

步骤c中所述的活化剂为KOH、H₃PO₄、CaCl₂、NaOH、ZnCl₂，其中烘干后的棉秆颗粒与活化剂H₃PO₄的固液比为1∶4，浸渍12小时。

所述步骤e中所述的保护气体为氩气，氮气或氩气与氢气的混合气体，其中混合气体中氢气体积含量为40-60％。

步骤e中所述的真空条件的真空度为133.322×10^-3-133.322×10^-5Pa。