[发明专利]生产高度活化的、单片式网状生物炭电极的方法

说明书

一种制造高度活化、高度多孔、高度导电的网状单片式电极的方法，该电极用于电能存储装置，包括超级电容器、赝电容器、电池，或用于电力产生装置，例如燃料‑电池，或用于气体生产装置，例如氢气发生器或氧气发生器。

背景

1.相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月29日提交的题为“Process for Producing a HighActivated,Monolithic Net-Shaped Biomass Electrode for Use in anUltracapacitor,Pseudo-Capacitor,Battery or Fuel-Cell”并且签发的序列号为62/826,005的临时申请的优先权权益。上述临时申请的全部内容通过引用结合于此。

2.发明领域

本公开涉及制造用于储电装置、发电装置以及氢气和氧气生产的电极的方法，其中该方法包括配制有利的复合生物质混合物，用预活化剂和/或前体浸渍生物质，浇铸或模塑浸渍过的生物质混合物以形成预网状化的(pre-net-shaped)单片生物质晶片或芯块(以下简称“晶片”)，并在炉中炭化晶片以生产具有分级孔和通道的网状导电单片碳质生物炭电极。本公开进一步涉及根据所公开的方法制造的单片电极在超级电容器、赝电容器、电池和燃料电池以及基于电解的气体发生器中的使用。将“未碳化”的生物质处理和预网状化(pre-net-shaping)为前体晶片不使用粘合剂。预网状化的单片晶片随后在高温下碳化，其中它们的尺寸缩小以产生含有分级通道和孔的单片式网状高表面积活性生物炭碳素电极。源自生物质的碳质单片电极的制造不使用粘合剂。这些网状生物炭单片电极可以在最终组装成超级电容器、赝电容器、电池或燃料电池或用作产生氢气和/或产生氧气的基于电解的气体发生器中的电极之前进一步成型和活化。

3.背景信息

随着全球能源消耗和需求的增加，对可再生、可持续和清洁能源以及新型、多功能和可扩展的储能系统的需求也在增加。特别是对于电存储，电池由于其电存储能力的高能量密度而成为焦点。然而，超级电容器和赝电容器因其高功率密度、低成本、优异的充放电能力、长循环寿命和环境效益而被证明是一种很有前途的电化学储能装置。燃料电池不储存电能，而是提供一种节能方法，将氢和碳氢燃料中的化学储存能量直接转化为电极上和电极内的电能。使用燃料电池发电与使用燃烧燃料产生蒸汽以供后续涡轮机发电(这是传统发电厂的典型做法)形成对比。

传统上，电池广泛用于我们日常生活中的许多应用。然而，电池存在许多局限性，限制了其作为可持续储能装置的广泛适用性。例如，电池在蜂窝装置或汽车中的广泛使用需要大量的锂、镍、锰和钴，每一种都需要从地球上采集，从而耗尽这些天然金属储备。由于这些材料在提取后不可再生，因此它们的可持续性非常有限。随着对这些不可再生金属的需求增加，它们的价格也随之增加。从废电池中回收这些特定的锂电池相关材料已经取得了一些成功，但成本和再纯化面临许多挑战。

如本文所公开的，与它们的电池对应物相反，超级电容器和赝电容器可以用由可再生资源制成的电极制造，例如生物质材料(例如木材，例如草，例如其他植物)，这使得它们成本更低并且比普通碱性电池或锂离子电池更环保。此外，与电池相比，超级电容器具有以更快的速率充电和放电的能力，并且具有更长的寿命周期，劣化极小，因为能量以静电方式存储在超级电容器和赝电容器中，而不是像电池技术那样以化学方式存储。快速充放电和更大的寿命循环数使得超级电容器能够更好地工作、持续更长时间并在需要此类功能的其他应用中提供效用。普通超级电容器的主要缺点是能量密度低得多，针对超级电容器与锂离子电池相比，通常为20:1或者更差。