[发明专利]活性炭电极材料

说明书

一种活性炭粉末，包含活性炭颗粒，所述活性炭颗粒包含对应于sp³杂化无序碳相的D‑带碳和对应于sp²杂化石墨相的G‑带碳，这两种碳的比例是受控的。此外，所述活性炭包含氮，所述氮的含量是活性炭颗粒的大约0.3原子％至大约1.8原子％，其中至少一些氮原子取代了G‑带碳晶格结构中的碳原子。此外，炭颗粒的表面积是大约900m²/g至大约2500m²/g，平均孔隙宽度是大约1nm至大约4nm，微孔表面积是大约300m²/g至大约1350m²/g，以及水力半径在0.285nm至1.30nm范围内的孔的累积表面积是大约1000m²/g至大约3000m²/g。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年11月13日提交的美国临时专利申请No.62/760,730的优先权，该临时申请通过引用全文纳入本申请中。

技术领域

本发明涉及储能装置的电极材料。更具体地说，本发明涉及在储能装置(例如电池和超级电容器)中用作电极材料的活性炭材料。

发明内容

本发明的一个实施例涉及包含活性炭颗粒的活性炭粉末，其中所述活性炭颗粒的Brunauer–Emmett–Teller(BET)表面积是大约900m²/g至大约2500m²/g。其中所述活性炭颗粒包含：

(a)碳，其包括：

(i)对应于sp³杂化无序碳相的D-带碳；和

(ii)对应于sp²杂化石墨相的G-带碳；

其中，采用拉曼光谱得到D-带碳(I_D)和G-带碳(I_G)的相对强度用于测定所述D-带碳和G-带碳之比，使得I_G/I_D在0至大约2的范围内；

(b)氮，其含量(采用X射线光电子能谱法测定)是活性炭颗粒的大约0.3原子％至大约1.8原子％，其中至少一些氮原子取代了G-带碳sp²杂化石墨相晶格结构中的碳原子；

(c)直径2nm至5nm的中孔和直径小于2nm的微孔，所述活性炭颗粒具有：

(i)采用Barrett、Joyner和Halenda(BJH)方法测定的平均孔隙宽度是大约1nm至大约4nm；

(ii)采用t-曲线(t-plot)法测定的微孔表面积是大约300m²/g至大约1350m²/g；和

(iii)水力半径在0.285nm至1.30nm范围内的微孔的累积表面积是大约1000m²/g至大约3000m²/g。

本发明的一个实施例涉及制备上述活性炭粉末的活性炭颗粒的方法。所述方法包括：

对包含未炭化植物材料粉末、部分炭化植物材料粉末或它们的组合的前体进行活化-热解处理，其中所述活化-热解处理包括：

将前体与活化剂混合，形成前体-活化剂混合物，其中选择所述活化剂以在所述活化-热解处理期间与所述前体中的碳反应，从而形成一种或多种反应产物，所述反应产物适于在所述活化-热解处理之后进行的洗涤处理期间脱除；及它们的组合；和

在热解惰性气氛中，以热解温度和热解时间加热前体-活化剂混合物，使之足以完成前体炭化，从而形成活化-热解材料；和

采用一种或多种洗涤液对活化-热解材料进行洗涤处理，所述洗涤液适于减少或脱除活化-热解材料中碳和活化剂反应得到的一种或多种反应产物，从而形成活性炭粉末的活性炭颗粒。