[发明专利]高比电容超厚生物炭、生物炭单片电极及生物炭复合电极

说明书

本发明公开了高比电容超厚生物炭、生物炭单片电极及生物炭复合电极，属于生物质固体废物高值资源化利用和超级电容器电极制备技术领域。本发明以天然木材整体为起始原料，通过低速率热解或者表面溶剂化预处理、致密化挤压和低速率热解，制得一系列基于连续生物结构的高稳定性、高比体积电容、无粘结剂的超厚生物炭单片电极，或负载金属氧化物后，制得超厚复合单片复合电极。所得单片电极、复合单片电极具有优异的电导性、高比电容和优异的倍率性能，可直接应用于高比体积电容超级电容器，有利于超级电容器的组装、小型化和性能提升。

技术领域

本发明属于生物质固体废物高值资源化利用和高性能绿色超级电容器电极材料制备领域，具体为一种具有稳定的高比电容超厚生物炭单片电极及复合电极材料。

背景技术

近年来，便携式电子设备的普及以及清洁能源使用，使高性能储能设备得到了前所未有的快速发展。超级电容器是当前公认的最佳的储能技术而备受关注。作为超级电容器中最重要的元器件，电极的好坏很大程度上决定了超级电容器的整体性能。研究者们已在高性能电极材料的开发领域做了大量研究，开发了包括碳基、金属氧化物以及两者复合物在内的多种电极材料。

然而，绝大多数研究并未从电容器设备的角度考虑，制备的电极活性材料通常为粉末态，需要混合一定粘结剂才能制备成可用电极。但是，粘结剂的添加导致电极的整体导电性变差，因此超级电容器组装时多采用薄膜电极，这不仅导致电极活性材料利用率偏低，同时也使电容器的组装工艺难度高，同时电导致容器体积较大。当前，电极厚度的改善已成为超级电容器研究和应用的瓶颈问题。

发明内容

为克服上述问题，本发明提出以天然木材整体为起始原料，通过低速率热解或者预处理和低速率热解制备一种基于连续生物结构的高稳定性、高比体积电容、无粘结剂的生物炭，并将其用于超级电容器用超厚生物炭单片电极及复合电极。

本发明首先提供了一种生物炭，其由以下方法制备得到：

A、原料准备：将木材切割成木块，经干燥后，得干燥木块；

B、热解：干燥木块在惰性气体保护下进行热解，得生物炭；所述热解按以下方式控制：热解过程中，温度低于200℃时，升温速率不超过60℃/h，然后于200±10℃恒温停留2～6h；温度在200℃～600℃之间时，升温速率为15～30℃/h，温度高于600℃时，升温速率为20～40℃/h；温度升至200±10℃后，热解温度每升高200℃恒温停留0.1～0.3h(即在升温至200n±10℃(n≥2)时，保温0.1～0.3h)，然后继续升温；热解过程的最终温度不低于800℃。

其中，上述的生物炭，步骤A中，所述干燥的温度为60～100℃。

在上述生物炭基础上，本发明还提供了一种性能更优异的生物炭，其由以下方法制备得到：

a、原料准备：将木材切割成木块，经干燥后，得干燥木块；

b、表面溶剂化预处理：配置亚硫酸钠和氢氧化钠混合溶液并加热至沸腾，然后将干燥木块置于混合液中蒸煮，进行表面溶剂化预处理；

c、表面清洗：将经过表面溶剂处理的木块洗涤，去除残留在木块上的氢氧化钠和亚硫酸钠；

d、致密化：将清洗后的木块进行致密化挤压处理，然后将挤压后的木块烘干；

e、热解：将挤压烘干后的木块在惰性气体保护下进行热解，得生物炭；所述热解按以下方式控制：热解过程中，温度低于200℃时，升温速率不超过60℃/h，然后于200±10℃恒温停留2～6h；温度在200℃～600℃之间时，升温速率为15～30℃/h，温度高于600℃时，升温速率为20～40℃/h；温度升至200±10℃后，热解温度每升高200℃恒温停留0.1～0.3h(即在升温至200n±10℃(n≥2)时，保温0.1～0.3h)，然后继续升温；热解过程的最终温度不低于800℃。