[发明专利]一种用于超级电容器的海藻基活性炭电极材料及制备方法

说明书

本发明提供一种用于超级电容器的海藻基活性炭电极材料及制备方法。将海藻在胶体磨中进行胶磨，再将胶磨过后的产物进行干燥，然后将干燥后的产物进行炭化、酸洗、活化。最后将活化产物进行后处理可得到活性炭。本发明通过胶磨及干燥，根据机械纤丝化原理，通过机械胶磨有效分离了细胞壁的纤维丝纳米纤丝，形成纳米纤丝化纤维素网络结构，方法绿色环保简单，使得前驱体结构更加均匀，制备的活性炭空隙结构也就更加均匀，从而提高了表面积利用率，提高超级电容器的能量密度。步骤简单、操作方便、实用性强。

技术领域

本发明属于超级电容器领域，特别涉及一种用于超级电容器的海藻基活性炭电极材料及制备方法。

背景技术

超级电容器是20世纪70年代兴起的一种新型储能器件，与传统的储能器件相比，其具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等优点。目前，超级电容器已广泛应用于车辆、起重装置、激光武器等高科技领域。而超级电容器主要是由电极、电解质、隔膜等原件构成，其中，电极材料对超级电容器的电化学性能起着关键的作用。

超级电容器电极材料主要包括，碳电极材料，金属氧化物，导电聚合物。目前工业上使用的超级电容器电极材料主要是碳材料中的活性炭。活性炭储能机理是：通过电荷在活性炭大表面积上的物理吸附和释放实现电容器的充放电。在此过程中，活性炭材料的比表面积大小和孔径结构分布是决定电极材料性能的关键因素。而生物质活性炭由于其原料廉价、绿色环保、制备方法简单而受到重视。

常见的制备活性炭的生物质有咖啡豆渣、桐树、甘蔗渣、荔枝树干、木薯皮、杏壳等等。通过炭化、活化得到孔隙结构发达的活性炭电极材料。制备的活性炭比表面积可达到1000-3500m²/g，在水系电解液下的比电容可达到100-300F/g(KOH、H₂SO₄)。而近些年来，研究人员将活性炭生物质原料从陆地生物拓展到了海洋生物。专利CN201310746693.4公开了采用海藻为原料，利用多价金属阳离子对海藻表面进行交联预处理，再采用炭化、酸洗、KOH活化处理，得到了电化学性能优越的活性炭材料。

专利CN201410324597.5公开了一种海藻提取液及其制备方法和应用，制备方法包括：(1)将海藻粉碎成粗粉；(2)将粗粉加入水后用胶体磨进行粉碎和提取；(3)提取液中加入硅藻土和活性炭，搅拌混合；沉降；(4)上清液离心分离；(5)加入晶种冷冻处理；(6)融化过滤；(7)用水复溶。

专利CN201710572572.0公开了一种孔径可控的竹质活性炭及其制备方法，通过将竹质材料微细化处理后，与壳聚糖凝胶混炼，使壳聚糖凝胶均匀分散于竹质材料中，进一步与柠檬酸捏合使柠檬酸塑化竹质内部，然后通过胶体磨剪切挤压机使竹材在低温下连续剪切活化，再在高温下用水蒸汽活化，水洗后烘干，得到孔径可控的竹质活性炭。

而目前无论陆地生物质还是海洋生物质活性炭，都远低于双电层电容的理论比电容25μF cm^-2，即比表面积利用率比较低。这使得电极材料的体积比电容比较低。这是由于生物质活性炭中存在灰分和孔隙结构不均匀等原因导致的。而目前制约超级电容器应用的一个关键问题是体积过大。因此我们要在保证质量比电容的前提下，提高体积比电容。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供了一种通过对海藻原料进行处理，得到电化学性能优越的活性炭的方法。本申请研究发现：海藻类生物与陆生植物的不同在于其没有木质素，不会阻碍室温下纳米纤丝化纤维素(NFC)的化学处理进程。因此，利用这一特性，将海藻放入胶磨机进行机械纤丝化处理，有效分离了海藻细胞壁的纤维丝纳米纤丝，形成纳米纤丝化纤维素网络结构，并使得海藻变为成分、结构相对均一的制备活性炭原料。同时，为了进一步提升活性炭的性能，本申请对胶磨所得原料的后续处理方法进行了系统分析，经大规模实验摸索后发现：将胶磨所得原料再通过炭化、酸洗、活化、酸洗工艺，制备的活性炭孔隙结构分布更加均一，灰分含量更少。所制备的活性炭比表面积利用率高，电化学性能优异。