[发明专利]双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料制备技术，涉及双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法。

背景技术

双电层电容器是电化学电容器(又称超级电容器)中的一种。双电层电容器通过在高比表面积碳电极的表面发生快速、可逆的电荷吸附/脱附过程进行能量的储存和释放，其能量密度是传统的静电电容器的10～100倍，功率密度是电池的10～100倍。

特别地，为了增加双电层电容器中的能量密度，即电容量，已将结晶度高和表面积大的活性炭用作电容器电极材料。近年来，炭材料因其来源丰富、成本低廉、有发达的孔结构和较大的比表面积及具有良好的充放电稳定性，已经作为超级电容器的首选。活性炭是通过活化木屑、锯屑、果壳、淀粉等植物系的碳化物，煤、沥青、焦炭系的碳化物或酚醛树脂等合成高分子系的碳化物而造的。而对于活性炭的工业生产，通常使用活化方法。

而作为活化方法，通常用化学方法如碱类KOH或NaOH（也包括一切碱性盐类如铵盐等）、酸类如磷酸、硝酸试剂(包括路易士酸如ZnCl₂）活化，目前应用较多、较成熟的化学活化剂有：ZnCl₂、KOH、H₃PO₄；或者物理活化法如用二氧化碳、空气或水蒸气作为氧化气体在600～1200℃与炭料反应，在材料表面形成发达的孔结构。用物理活化法制备活性炭污染小，但因活化过程要求的活化温度高、活化时间较长，这些因素限制其广泛应用。其中，碱性活化是用于形成活性碳的一种方法。其依赖于使得含碳前躯体化合物在高温惰性气氛中碳化，然后进行化学活化，通常采用KOH或NaOH。碱性活化的一个主要缺点在于会作为反应副产物产生碱金属，它会挥发并在工艺设备的较冷区域中冷凝。这对于大规模生产造成了明显的安全危害。另外，用碱金属活化剂活化碳材料来生产双电层电容器电极用活性炭的方法中，活化剂通常以要与其混合的碳材料的2至6重量份的量来使用，特别地，为得到大比表面积如2000至3000m²/g的范围时，必须在大的“活化剂/碳材料”比下才能实现。然而，由于碱金属活化剂占生产成本的比例大，因此需要使用的碱金属活化剂的比例最小化，才能既环保又经济。

另有中国专利号为，200810053417.9，公开了一种淀粉基高比表面积活性炭微球的制备方法，属于活性炭微球的制备技术。该方法过程包括：以禾谷类淀粉、薯类淀粉、豆类淀粉以及香蕉和芭蕉的果实类淀粉为原料，原料在氧化气氛中进行恒温氧化处理；将氧化淀粉在氮气保护下，在炭化炉中进行炭化处理，制得保持原淀粉颗粒形状的淀粉基炭微球；将制得的炭微球与活化剂进行混合浸渍，烘干，将得到的混合物在氮气保护下，在活化炉中进行活化处理；活化后产物经洗涤、离心分离、干燥，即得淀粉基高比表面积活性炭微球。中国专利号为201110068703.4，公开的超级电容器活性炭/碳纳米管复合电极的制备方法，步骤包括：将禾谷类淀粉烘干放入碳化炉，在氮气保护下，恒温热处理得淀粉基碳；将制得的淀粉基炭和ZnCl₂以及FeCl₃混合均匀、烘干，在惰性气氛中活化，通入乙炔气体，制得淀粉基活性炭/碳纳米管复合材料；将制得的淀粉基活性炭/碳纳米管复合材料与PVDF混合，加入N-甲基吡咯烷酮搅拌成浆料状，均匀涂覆在泡沫镍上，烘干，压片得到超级电容器活性炭/碳纳米管复合电极片。上述专利都是直接将淀粉在碳化炉进行碳化处理得到淀粉基炭，淀粉中的纤维素等的羟基不易脱水，易于向左旋葡萄糖转化，淀粉的碳化率低。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法，其目的是提供一种既节能又环保的活性炭活化方法，选择化学-物理复合活化法制备活性炭，通过改进活化工艺制备比表面积大、孔径分布合理、适合作为电极材料的球形活性炭。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

双层电容器电极用球形活性炭材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将喷雾干燥好的淀粉，在惰性气氛下升温至150~500℃进行稳定化处理4~12小时，得到具有初级孔结构的淀粉基炭微球；

(2)将淀粉基炭微球研碎，与活化剂按质量比为1：10~1混合均匀，烘干水分后，在惰性气氛下升温至500~800℃进行活化，活化时间2~6小时；

(3)再通入氧化性气体，升温至900℃，活化时间1~4h，冷却后取出，得到淀粉基活性炭微球粗品；