[发明专利]生物质碳膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种生物质碳膜及其制备方法和应用，将生物质切割成预定厚度、预定形状的生物质薄片，并固定压制在两块定型模具之间，然后将生物质薄片干燥，干燥后的生物质薄片首先在150 ℃～350 ℃的温度下预碳化2 h～15 h，接着在750 ℃～1050 ℃温度下深度碳化0.5 h～5 h，深度碳化后的生物质薄片冷却后，依次经盐酸酸洗、醇洗和水洗后，烘干，得到生物质碳膜生物质碳膜具有完整的结构，不仅具有互连的开放大孔，而且同时富含微孔和中孔，比表面积大，能量密度高，可直接作为超级电容器的电极材料进行组装使用。直接组装形成的超级电容器器件具有高的质量比电容及比电容保持率，且具有优秀地循环稳定性。

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，具体涉及一种生物质碳膜及其制备方法和应用。

背景技术

新型能源的开发和能源的储存是解决当代能源问题的两大主要途径。在各种储能装置中，超级电容器（SC）又称电化学电容器，因为它们可以安全地提供高功率和快速充放电，具有良好的循环稳定性，在医疗和军事设备，以及混合动力电动汽车等便携式电子应用中受到越来越多的关注。然而，与电池（能量密度约200 Wh·kg^-1）和燃料电池（能量密度约350 Wh·kg^-1）相比，商业上可用的碳基SC仍然具有较低的能量密度（3～5 Wh·kg^-1）。

为了解决这个问题，在开发诸如纳米结构碳质电极、金属氧化物、金属硫化物等过渡的新电极材料方面进行了广泛的研究，实现能量密度接近电池，而不牺牲其功率密度和循环稳定性。特别是，随着纳米技术和材料化学的进步，大量具有大比表面积和独特孔结构的纳米结构碳材料（NCMs）被开发，以作为更好电容性能的SC电极材料。 然而，NCMs的制备通常存在一些缺点，如制备工艺繁琐复杂，无机模板(沸石或氧化硅)昂贵，特别是使用聚合物和碳纳米材料(碳纳米管、石墨烯、石墨烯等)等不可再生、昂贵的前驱体，极大地制约了NCMs的产业化前景。

基于此，由地球丰富的生物质能衍生而来的NCMs，由于成本低、环境友好、易于获取优势，为商业上可行的NCMs提供了很大的可能性。一方面，生物质衍生的NCMs具有较低的成本和较高的实用性，另一方面，生物质衍生的NCMs可以模拟自然生物质的固有微结构，为电解质提供了快速的质量传输，同时，有助于形成一个大的比表面积，从而提高了电池的容量。此外，大部分生物质中含有N、S、P等杂原子，在碳化过程中可以原位掺杂到生物质衍生的NCMs中，它们的电子特性和表面活性，使生物质衍生的NCMs的电容性性能得到了有效地改善。然而，由于使用绝缘聚合物粘结剂、导电添加剂和金属泡沫载体，基于浆料的电极组装过程繁琐，粉状生物质衍生的NCMs的实际应用受到严重阻碍。进一步地，粘结剂的存在会导致多种不良影响，包括增强粘结剂/碳/支撑界面的粘着力，堵塞孔隙，从而限制电子扩散，导致电容性能降低。此外，粘结剂和金属基电极在充放电过程中的副反应是无法检测的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种生物质碳膜，该生物质碳膜能够直接作为电容器电极材料被应用，以解决现有技术中存在的生物质碳由于使用粘结剂、导电添加剂等引起的电容器性能降低，电极组装过程繁琐的技术问题。

本发明还提供一种生物质碳膜的制备方法。

本发明还提供上述生物质膜作为电容器电极材料的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种生物质碳膜的制备方法，将木质素含量为10%～20%的生物质切割成预定厚度、预定形状的生物质薄片，并固定压制在两块定型模具之间，然后将生物质薄片干燥，干燥后的生物质薄片首先在150 ℃～350 ℃的温度下预碳化2 h～15 h，预碳化后的生物质薄片在750 ℃～1050 ℃温度下深度碳化0.5 h～5 h，深度碳化后的生物质薄片冷却后，依次经至少一次盐酸酸洗、至少一次醇洗和至少一次水洗后，烘干，得到生物质碳膜。

具体地，包括以下步骤：