[发明专利]一种熔盐活化活性炭制备高比电容碳粉的方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种熔盐活化活性炭制备高比电容炭粉的方法，属于活性炭活化改性领域。

背景技术

超级电容器是近年来出现的一种先进的新型能量存储装置，具有高比功率、高循环寿命、快速充放电性能好、温度特性好等优点。超级电容器用途广泛：用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源。超级电容器通常由电极、电解液和隔膜组成。其中电极材料对超级电容器的性能起着决定性的作用。电极材料的研究主要有三类,即碳基材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。金属氧化物材料和导电聚合物主要是靠氧化还原反应产生的赝电容；而碳基材料电化学电容器能量储存的机理主要靠碳表面形成的双电层。金属氧化物材料和导电聚合物材料虽然电化学活性优于碳材料的性能，但其比表面积较小，内阻较大，而且价格相对昂贵，在商业化方面有较大的障碍。碳材料作为最先应用于超级电容器的电极材料，具有许多优点：优良的导电性能，较高的比表面积，良好的抗腐蚀性，密度低，高温下有较高的稳定性，可控的孔结构，相对价格便宜。到现在为止，作为超级电容器的碳电极材料主要有：活性炭粉末、碳纳米管、碳气凝胶、纳米碳纤维以及一些有机物的碳化物等。相比于其他几种碳材料，活性炭粉末作为电极材料具有原材料来源丰富、制备过程相对简单，可调控性强等优点。

目前绝对大多数商业活性炭粉末是由果壳、木材或优质煤在高温下裂解制备得到的，由于原材料、裂解工艺以及活性炭粉末用途的不同，制备得到的活性炭粉末性能有差异。对于一些电容性能不好的商业活性炭粉末，往往需要经过进一步的活化改性来提高其电容性能。目前常用的活性炭活化改性方法有：物理活化和化学活化。物理活化：在一定温度下，用合适的氧化性气体如二氧化碳，水蒸气，空气或者它们的混合物对活性炭进行活化；化学活化：将活化剂与活性炭混合后在一定温度下活化，比如Ni(NO₃)₂、Co(NO₃)₂、Mn(NO₃)₂溶液浸渍后进行高温热解处理，采用浓硝酸、双氧水、氨水活性炭进行液相氧化改性，以KOH为活化剂与活性炭混合后高温热解处理等等。化学活化相比于物理活化有两个主要优点：第一：活化过程温度更低（化学400~900 ℃，物理600~1000℃）；第二，产物产率更高因为不需要烧掉生物碳。尽管如此，化学活化仍然需要消耗大量的活化剂，某些活化剂价格较昂贵且难以回收，容易造成环境污染，产物活性炭与活化剂分离也比较困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种熔盐活化活性炭制备高比电容碳粉的方法。

本方法采用熔盐作为活化剂，可实现产物活性炭与活化剂的有效分离，以及活化剂的高效重复利用，并且改善活性炭的结构以及表面化学性质，从而达到节约成本，通过简单工艺大幅度提高其电容性能的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：

1）以比电容值小于150 F/g的活性炭为原料，将其干燥后压制成型，置于耐高温的网袋或篮筐中，将网袋或篮筐固定在一个可升降的操作杆上；

2）在反应器中盛放熔盐，并保持反应器中的惰性气氛，加热熔盐至750 ℃至950 ℃使熔盐成为熔化状态；

3）将网袋或篮筐通过操作杆浸入熔盐中，反应0.5~1.5 小时，将网袋或篮筐提出熔盐并在惰性气氛围下冷却至室温，然后将产物取出用水洗去产物中的盐即得到高比电容炭粉。

本发明方法中，所用的比电容值小于150 F/g的活性炭主要为商业活性炭，如椰壳活性炭。

本发明方法中，步骤（1）中所述的干燥可以在100~140℃下干燥10~12小时。

本发明方法中，所用的熔盐主要为碳酸钠-碳酸钾混合熔盐，熔盐的温度控制在750 ℃到950℃之间为宜。

本发明方法中，装载活性炭的网袋或篮筐主要为泡沫镍或者不锈钢网，固定活性炭所用的可升降的操作杆主要是不锈钢棒或者镍棒。

  本发明的方法中，不锈钢反应器中应保持惰性气氛（N₂或者Ar）。

本发明的方法中，加热熔盐的能量可以来自电能和聚焦太阳热能。

附图说明