[发明专利]一种超级电容器用松针基活性炭及其一步炭化制备方法

说明书

一种超级电容器用松针基活性炭及其一步炭化制备方法，选取脱落干松针，用纯水反复清洗去除杂质之后烘干；将烘干的脱落干松针用粉碎机粉碎至粉状物，置于干燥器中待用；将粉碎后的松针粉末置于陶瓷坩埚，再放入马弗炉中，在空气气氛下，从室温升温至最终炭化温度；待炭化工艺结束，温度降至室温，将所得松针基多孔活性炭进行酸洗和水洗，除去其中的有机和无机杂质，110℃再烘干，置于干燥环境中，即可得到超级电容器用松针基活性炭材料。本发明制备过程清洁，步骤简单，产品结构多样可调控，电容性能高倍率性能优异，制造成本低。

技术领域

本发明属于活性炭材料及炭化制备工艺领域，具体涉及一种具有优异倍率性能的超级电容器用松针基活性炭材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器具有充电速度快、功率密度高、寿命长等特点，是解决电动汽车用动力电源最有效途径。它既可以作为电动车辆运行的唯一动力电源，也可以作为电动车辆运行的辅助动力电源。超级电容器还可用于光伏电池蓄电、电网稳定、无线电发射等功率器件，以及坦克、火箭牵引的启动能源；美国、欧洲、日本等也正在进行超级电容器的研究。

本文使用的松针作为原料，来源广泛，价格低廉，易于收集。松针本身的细胞结构，其本身具有的金属元素及一定的杂原子含量。经过在空气中简单的一步自然炭化，可得到具有三维网络状微观结构的多孔活性炭材料。此方法不需要额外添加任何化学试剂，制备过程非常的简单、高效、环保，不会对反应容器造成腐蚀。仅凭借其本身的金属含量即可得到一定的孔，在升温过程中，其含有的钠和钾原子会产生活化作用，与碳层发生消解作用从而造出大量的微孔和中孔结构。同时，钙和镁原子会产生占位作用，经过酸洗，水洗后，也能得到一定孔径分布的孔。而空气在炭化过程中则起到催化金属活化反应，打通孔与孔之间的通道及清理通道中有机杂质的作用。最后得到的松针基多孔活性炭表面具有大量的杂原子含量 (N， P， O)，可增加此种材料的表面润湿性，同时提高其电化学性能。同时由于其本身含有大量的金属原子，因此不需要额外添加任何化学活化试剂，打破了传统化学法活化制备活性炭的桎梏，克服了传统化学法制备活性炭材料的缺点。制备工艺简便，且不会对生产设备造成腐蚀，不污染环境。且此种活性炭材料作为超级电容器电极材料具有优异的倍率性能，能解决目前商业化超级电容器用活性炭材料的缺陷，能延长电动车的一次充电之后的使用时间，具有非常好的应用前景。

Zhu G等人（Zhu G， Ma L， Lv H， et al. Pine needle-derived microporousnitrogen-doped carbon frameworks exhibit high performances inelectrocatalytic hydrogen evolution reaction and supercapacitors[J].Nanoscale， 2016.）研究发现，将松针进行低温碳化，随后使用KOH活化法得到的活性炭电极材料，具有较高的比表面积2433m²/g，具有较高比电容量，于0.1A/g的电流密度下可达到236 F/g，同时具有较长且稳定的循环寿命，5000次循环后不存在电容衰减。然而在实验中，其使用了大浓度的4:1比例的碱，污染环境，腐蚀反应设备，不具有实际应用价值。

Biswal M等人 (Biswal M， Banerjee A， Deo M， et al. From dead leaves tohigh energy density supercapacitors[J]. Energy Environmental Science， 2013，6(4):1249-1259.) 通过简单地对一种印度特有的楝树叶子进行碳化，得到多孔碳材料。并对其电化学性能进行分析，发现其作为水系超级电容器电极材料在极小电流密度下具有极高的质量比电容400 F g^-1 (0.5 A g^-1) 但这种碳材料倍率性能较差，不能使用于实际应用。