[发明专利]一种用于超级电容器电极的高比表面积垂直孔道的块状碳材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于超级电容器电极的高比表面积垂直孔道块状碳材料及其制备方法，通过碱溶液浸泡及高温活化使块状碳材料比表面积大幅度提高，并且能够保持其形貌，具有亲水性和较高的导电性。本发明工艺简单，省时，安全，成本低，适合大批量工业化生产，突破了以往只能活化碳粉末的限制，碳化后不仅比表面积增加，导电性好，还能保持其块状材料原始的宏观结构。

技术领域

本发明属于碳材料储能领域，具体涉及一种用于超级电容器电极的高比表面积垂直孔道的块状碳材料及其制备方法，其实质上是一种利用化学方法来活化碳材料的方法。

背景技术

21世纪到来之后，人口密度逐渐增加，人类的生活质量不断提升。与此同时，人们赖以生存的能源和资源日益枯竭，人们盲目追求经济发展，对环境造成巨大的损害。严峻的环境条件迫使各国努力寻找可持续能源和先进储能技术的新来源。制作超级电容器是制作电池和电解电容器之间的一种新技术，它与旧的电容器进行比较，具有比容量大、能量密度高的优点，其功率密度和循环寿命都比普通充电电池更高，更长。而且可以在高电流的前提下，达到极高的充电效率。在国防工业、交通运输、电子信息、航空航天和仪器仪表领域都拥有相当强劲的潜力，是新能源领域的研究热点。

到目前为止，已经有很多的关于制备新型的电极材料来提高超级电容器的性能的报道，但是相比之下，很少有人把关注点投入到在电极材料的结构设计中。电极结构的合理设计，对于活性物质作用的充分发挥，高效的电子和离子传输都有着不可忽视的作用。增加电极材料的厚度一方面可以提高活性物质的负载量，另一方面可以减少封装过程中的消耗。总所周知，块状电极相比粉末状电极来说在实际使用过程中不必使用粘合剂，这样可以避免粘合剂使用对超级电容器性能带来的折损。值得一提的是，传统厚电极都会存在由于高厚度带来的高曲折率而引起的离子传输不畅的问题。但是该工作利用了木头材料的由上至下垂直孔道结构，保证了在较大的电极厚度下也能有较低的曲折率，从而保证电极使用过程中的快速离子传输和充分的电解质浸润。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于超级电容器电极的高比表面积垂直孔道块状碳材料及其制备方法，用独特的方式活化块状碳材料，使得块状碳材料在活化的同时，还能保证其宏观结构不会受到破坏。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于超级电容器电极的高比表面积垂直孔道的块状碳材料的制备方法，通过碱溶液浸泡及高温活化使块状碳材料比表面积大幅度提高，并且能够保持其形貌，具有亲水性和较高的导电性。

在本发明的优选的实施方式中，所述的制备方法包括步骤如下：

（1）块状碳材料的预处理：将块状碳材料浸泡在碱溶液中，然后置于烘箱中烘干，以备后续使用；

（2）高温活化：将上述得到的块状碳材料置于管式炉中，惰性气体氛围下，高温反应一定时间，降至室温后，取出待用；

（3）块状碳材料高温后后处理：将步骤（2）中反应后的碳状材料置于一定浓度的酸溶液中浸泡，反复多次，使其pH为中性，然后烘干。

在本发明的优选的实施方式中，所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、强氧化锂、氢氧化钡和氢氧化铯中的一种或几种；所述的酸为盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、氢溴酸和氢碘酸中的一种或几种。

在本发明的优选的实施方式中，所述的块状碳的种类可为任意种类，所述的块状碳材料的尺寸可为任意尺寸，其碳氧比可为任意比例。

在本发明的优选的实施方式中，所述的碱溶液的浓度为0.01M～饱和，优选为2M～饱和；所述的酸溶液的浓度为0.01 M～饱和，优选为0.1～2 M；所述的浸泡的时间可为2～72h，优选6-24h；所述的烘干的时长为2～72h，优选6-24h。