[发明专利]一种水系超级电容器专用活性炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电容器材料制备技术领域，具体涉及一种水系超级电容器专用活性炭的制备方法。

背景技术

超级电容器是20世纪后期发展起来的新型储能器件，与传统的二次电池如锂离子电池、铅酸电池等相比，其具有比容大，功率密度高，循环寿命长，环保等优势。近年来随着世界各国对可再生能源和绿色环保产业的投入以及发电站电网能量调节、绿色公交、智能电表等领域的高速发展，超级电容器优势凸现，已成为国际能源领域研发的热点。

超级电容器普遍采用活性炭材料作为其电极的活性材料，对超级电容器的科研表明，活性炭电极材料孔径和孔容与电解液中的离子直径相当时，活性材料比容量最大，因而，当孔径孔容与电解液中离子直径匹配时，离子能够轻松进入体相内部贡献电化学容量，同时活性炭材料结构利用率最高。从电解液体系来说，超级电容器电解液主要有水系和有机系。其中，在水系电解液中，K+离子的直径对应活性炭的微孔结构(1～4nm)，小于有机盐离子直径一个数量级，但是现在市售的活性炭材料都是针对有机系电解液设计，大部分为均质结构，以中孔孔系(5～100nm)为主，比较适合有机系电解液环境，但容易导致装配的水系超级电容器比容量损失严重，因而不能满足水系超级电容器高倍率性兼顾高比容量的要求。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种水系超级电容器专用活性炭的制备方法，以解决上述技术背景中的缺陷。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种水系超级电容器专用活性炭的制备方法，具体包括下列步骤：

1、将3年生竹材洗净破碎至100～200目的粒度，烘干，然后将烘干后的竹材在碳化炉中进行保温碳化，碳化保温温度为500℃，碳化时间为40～60分钟，然后在惰性气体中冷却至室温，将得到的活性炭破碎至小于100μm，获得竹基活性炭。

2、将石油焦破碎至粒径小于100μm，将步骤1制得的竹基活性炭与石油焦、氢氧化钾、聚乙二醇混合，其中各原料添加的质量份为：石油焦75～80份，碳化竹材15～25份，聚乙二醇1～2份，氢氧化钾80～480份，在惰性气体的保护下，将碳碱混合物以20℃/min的速率逐渐升温到700～800℃，活化1～1.5小时，在惰性气体保护下冷却至室温，然后水洗至中性，在100℃的干燥炉内干燥15小时，即得到成品。

本发明制备的水系超级电容器专用活性炭的参数为：比表面积为5000～6500m²/g，碘吸附值为3000～4200mg/g，平均微孔直径为3.8nm，70％的微孔孔径集中在2～5.3nm，同时还具有15％的中孔结构，这些中孔结构孔径为6～50nm。

本发明的活性炭为中孔结构丰富的活性炭材料，中孔作为介孔与内部微孔和材料界面相通，拓宽了离子运输通道。通过这种微孔-中孔结构，离子吸附与脱附动作可以快速转换，便于水系电解液离子的输运，以此活性炭材料组装的KOH水系超级电容器较基于普通活性炭材料的水系超级电容器比容量平均提升35％，同时电流倍率性基本相当，对水系超级电容器性能提升明显。

有益效果：本发明用于制备一种中孔结构丰富的活性炭材料，这种活性炭材料应用于水系超级电容器中，其中孔作为介孔与内部微孔和材料界面相通，可有效拓宽离子运输通道；而通过这种微孔-中孔结构，离子吸附与脱附动作可以快速转换，可明显提高水系超级电容器的使用性能。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施实例1

将3年生竹材洗净破碎至100～200目的粒度，烘干，然后在碳化炉中500℃保温碳化40～60分钟，在惰性气体中冷却至室温。然后将得到的活性炭破碎至小于100μm获得竹基活性炭。

将石油焦破碎至小于100μm，将步骤(1)中得到的竹基活性炭与石油焦、氢氧化钾、聚乙二醇混合，其中各原料添加的质量份为：石油焦80份，碳化竹材18份，聚乙二醇2份，氢氧化钾160份，在惰性气体的保护下，将碳碱混合物以20℃/min的速率逐渐升温到750℃，活化1小时。在惰性气体保护下冷却至室温。水洗至中性，在100℃下干燥15小时，得到活性炭。

经上述步骤制备的活性炭比表面积为6200m²/g，碘吸附值为3800mg/g，平均微孔直径为3.02nm，70％的微孔孔径集中在2～3.3nm。

实施实例2