[发明专利]一种活性炭超级电容器电极材料控制形成纳米晶的工业化制备方法

说明书

本发明公开了一种活性炭超级电容器电极材料控制形成纳米晶的工业化制备方法。该方法是在原有工业化制备逐级纯化工艺结束后，继续在线控制气氛组成及气氛与碳的反应能力以控制孔壁厚度，从而控制活性炭关键孔径在1.2～2nm范围内，孔壁厚度在1.2～1.3nm，并形成晶粒尺度为1.13～1.16nm范围的纳米晶相，保证了独立纳米晶碳层边缘大量暴露在孔中，大幅增加电解液离子的插入通道。制得的活性炭处理后制备的超级电容器能量密度为25.48～28.83Wh/k，具有较高的能量密度。这种方法制备的纳米晶活性炭在高性能超级电容器领域具有巨大的应用价值。相较于目前市售超级电容器电极材料用活性炭同类产品，本技术产品性能关键指标及性能超过目前市售产品，处于国内、国际先进水平。

技术领域

本发明属于活性炭材料制备领域，特别涉及制备超级电容器电极材料活性炭，更具体地说，涉及一种椰壳原料活性炭超级电容器电极材料形成纳米晶的工业化控制制备方法。

背景技术

随着能源需求的不断增加以及全球变暖等问题使得人们越来越重视低碳发展和可持续发展，现代工业迫切需要绿色、高效的能量储用体系。超级电容器作为一种新型的储能装置，它的能量存储能力虽然低于二次电池，但比传统电容器高几个数量级，具有功率密度高、安全性高、循环寿命长、可实现快速充放电等特点。因此在需要高功率输送和快速能量采集等方面应用时，可以作为充电电池的替代或补充。作为一种新型储能装置，超级电容器与化学电池等传统储能装置相比，具有明显的性能特点和优点。超级电容器的能量密度虽不如化学电池，但它有着化学电池不可比拟的优点：(1)充放电循环寿命长。超级电容器在储能/释能过程中没有发生化学反应，其整个过程完全可逆，故其循环寿命很长(2)功率密度高。超级电容器储能过程实质上就是导电离子在电极上转移过程，不发生氧化还原反应，属于物理储能，能够提供较大的脉冲电流，适合大功率场合和需要瞬时功率支持的场合应用。(3)快速充电。超级电容器能够适应大充电电流充电，可实现快速充电。(4)受环境温度影响小。目前，厂家生产的超级电容器工作温度一般在在-35～60℃之间。(5)环保性。不同于传统化学电池采用金属或者金属氧化物作为电极，超级电容器一般采用活性炭作为电极材料。炭电极在生产和使用过程中不会对生产者或者使用者造成危害，也有利于环境保护。(6)循环寿命长。

超级电容器的诸多优点使得它在很多方面都有着重要应用，如个人电子设备、混合动力汽车、数字通讯设备、数码相机、手机、电动工具、激光技术、太阳能电池、军事和航空航天等领域均有广阔的应用前景。但是超级电容器的存储能力和性能与电极材料密切相关，电极材料是电容器的核心部分。活性炭电极材料的性能，特别是活性炭材料的储电性能会受超级电容器在工作时系统的孔分布(有效孔含量)及内阻直接影响。有效孔含量的不同决定了双电层电容有效表面积的多少，这种有效孔表面积越多，能够储存的电解液离子电荷量，也即超级电容器的储电量越大；而内阻，除了与活性炭本身的(压片)电导性能有关外，实际上还与超级电容器电解液离子吸附和脱离活性炭电极有效微孔表面的能力直接相关，这种吸附和脱离有效表面的能力越大，超级电容器系统的内阻越小，电容器在工作时消耗在自身体系的能量也就越小，电容器的性能就越好。利用椰壳原料，水蒸汽物理活化方法制备石墨型超级电容器活性炭电极材料具有优良的性能，杜丕一等已经对此进行了一系列的研究(如：工业化制备逐级纯化方法CN109592681B；两次激活工业化制备方法CN109850892B；三步物理活化制备方法CN109592680A)，性能可媲美目前市售性能很好的商用超级电容器活性炭电极材料。虽然石墨的导电性要比一般碳的导电性好，将活性炭电极制备成石墨型的炭电极有望提高活性炭的电导率，以利于降低内阻从而提高活性炭作为超级电容器电极材料使用时的应用特性，但如上所述，电极的内阻还与电解液离子吸附、脱离的能力有关；为提高储电性能，结合考虑电解液的使用，超级电容器活性炭电极材料需要提高有效微孔表面积，比如通过增大石墨碳环层层间距增加有效比表面。更重要的是，同时还必需增加传输通道，使增加的有效比表面积能够被高效地利用，使电解液离子能高效吸、脱附以降低体系的内阻。