[发明专利]一种可用于超级电容器电极的活性炭材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种可用于超级电容器电极的活性炭材料及其制备方法，所述活性炭材料通过含碱和磷化合物的复合活化剂处理石油焦粉得到，所述活性炭材料为含磷的复合活性炭，所述活性炭材料中磷原子含量为1000ppm～20000ppm。

技术领域

本发明涉及一种活性炭材料及其制备方法，具体涉及一种可用于超级电容器电极的活性炭材料及其制备方法。

背景技术

双电层电容器(Electric Double Layer Capacitor,EDLC)也称超级电容器，是利用活性炭等碳素材料与电解质界面间形成的双电层来储存电荷的新型蓄能原件。它具备电诱导型电容器和二次电池的中间特性。

双电层电容器的储电机理是依靠电极材料和电解液之间形成双电层存储电荷，活性炭材料作为超级电容器的电极材料，其性能主要取决于内部的孔结构，包括孔径分布、孔形和孔容等，有效地控制孔结构是获得高性能活性炭的关键所在。随着超级电容器应用领域的不断扩大，对所需活性炭的结构和性能，特别是对活性炭孔径分布中2-5nm范围内的孔容提出了更高的要求。为了提高活性炭孔径分布中2-5nm范围内的孔容，人们发展了催化活化法、聚合物共混炭化法、模板炭化法和有机凝胶法等，但都存在比表面积较低的问题，不能够获得性能稳定、比电容高的超级电容器。

近年来发展起来的碱(KOH,NaOH或LiOH)活化法制备的活性炭具有比表面积大、电容量高等特点。CN101844765B公布了一种用于超级电容器炭电极的活性炭制备方法，将煤沥青基、中间相沥青基、石油焦基和针状焦基的两亲性炭材料之中的一种，与氢氧化钾按质量比1：2～4混合并加入去离子水中，搅拌，烘干，研磨得到混合粉末，然后对混合粉末在惰性气体保护下进行700～900℃下活化，产物经冷却、清洗、烘干后，研磨即得超级电容器用活性炭。CN101525132中所述超级电容器用活性炭以淀粉为原料，经炭化、活化制得；但炭化料与氢氧化钾固体的重量配比高达1：4～8。这些专利中公开的制备方法KOH的使用量较大，生产成本高，不适于工业化生产，而且其孔径分布集中在2nm以下的微孔范围内，影响了电解液离子在电极材料上的扩散，不利于形成双电层，作为超级电容器的电极材料不能获得所期待的高比容。此外，由于碱的使用量为炭质原料的3～8倍，不仅造成碱的浪费，而且需处理大量的碱性废水，对生产的要求也非常苛刻。

CN101837975A公布了一种制备超级电容器多孔炭的微波复合活化方法，以含碳物混合物为原料，再加入KOH与NaOH的复合活化剂和催化剂，采用微波辐照对反应物进行加热，产生物理化学反应并伴随微爆炸效应，进而促进多孔炭结构的形成，再经洗涤和烘干过程，最终制得超级多孔炭。CN101964259A公布了以高硫石油焦制备超级电容器电极材料的方法，把高硫石油焦粉碎筛分后，在100℃条件下烘干，再将KOH、NaOH和烘干后的高硫石油焦颗粒在650℃～850℃下活化，制成活化的高硫石油焦基碳材料；再把活化的高硫石油焦基碳材料降至室温，经洗涤至中性后过滤、真空干燥，得到电容器电极材料。上述这两种采用KOH与NaOH复合活化剂活化，虽然减少了碱的用量，能有效的提高比容量，但生产成本仍然很高，且后期碱的回收以及回收过程的污水处理会对环境造成较大的影响。

CN101356607B和CN102856081A均采用磷酸对活性炭进行活化并制得了磷化合物复合活性炭，所制得的产品，在高温高压下除去灰分，保留适当的磷复合化合物，其磷原子含量为1000～3000ppm，但由此得到的磷化合物复合活性炭多为微孔(平均细孔径为1.7nm-2.1nm)分布，不利于形成双电层，从而作为超级电容器电极材料比容量较低。

如何克服上述方法的局限性，得到一种高性能的活性炭，已经成为该领域的研究热点之一。

发明内容

本发明旨在克服上述活性炭制备方法存在的缺陷，本发明提供了一种可用于超级电容器电极的活性炭材料及其制备方法。