[发明专利]一种植物纤维掺杂及聚合改性活性炭碳电极的制备方法

说明书

本发明涉及碳电极制备的电化学材料领域，具体涉及的是一种活性炭碳电极掺杂改性的制备方法。本发明是在电极制作阶段添加纳米级别植物纤维，然后制备压片电极，电极成型后在温和的条件下加入有机物单体，使电极中的纤维物在交联剂的作用下与单体反应向吸水聚合物转变。电极中的吸水聚合物吸水后膨胀将原有活性炭中坍塌的孔道空间重新撑开，使活性炭的比表面积得到充分利用，另外改性过程中添加的丙烯酸等单体也可丰富电极表面含氧基团，最重要的是电极内部纳米级别的吸水物质可有效的提高电极的内部润湿性能，提高电极的电容能力。本发明制备所得碳电极润湿性好，电容能力提升显著，电容保持率基本不变，且具有原料易得、方法简单的特点。

技术领域

本发明涉及碳电极制备的电化学材料领域，具体涉及的是一种活性炭碳电极掺杂改性的制备方法。

技术背景

活性炭电极在电池以及超级电容器等电化学储能设备中是重要的组成部件，其较高电容能力，稳定的高倍率性能而受到重视和应用。

活性炭电极的制备工艺相对成熟，基本是先选择或制备活性炭，有时还对活性炭进行改性，将获得的活性炭、粘结剂和导电剂以合适比例下在溶液中混合后，再压制到集流板上，干燥获得成型的活性炭电极。但对于电极在制备过程中或电极成型后再对其进行改性以提高电容能力的工作较少发现，在一定程度上限制了活性炭电极的使用。

成型碳电极在制备过程中由于添加了粘结剂和导电剂，会导致在压制过程中活性炭原有的孔道空间被堵塞、压塌，使得活性炭材料原的有效比表面积降低，有效的活性基团减少，造成成型活性炭碳电极比电容不高，电化学性能不够理想。

目前可发现专利号为ZL201710658575.6的中国发明专利，在碳电极成型后采用管式炉气氛高温处理，并迅速用液氮冷却的方法获得改性的碳电极，该方法需要品质较高的热源和冷源，并在处理过程中需要保护气氛，在实际操作过程中尽管改性效果良好，但成本较高；已公开的中国发明专利CN202010701035.3，提出了在液相条件下，加压改性成型碳电极，该方法是利用加压液相可有效在电极内部增加官能团的方法，提高电极润湿性能，从而提高电容能力的方法，该方法虽然电容能力提高明显，但需要较高的温度和压力，对工艺和设备要求较高；已公开的中国发明专利CN202010701076.2，利用了微生物发酵的方法和微波共同改性成型碳电极，效果显著，但电极需要合适的生物处理条件，电极品质控制将具有一定难度；因此开发从电极内部进行一定程度对孔道能够进行修复，并且本身自带吸水性能的电极，将有效的提高活性炭空间表面的利用率，增强其电容能力。

吸水聚合物是一种带有大量亲水基团的功能高分子材料，具有较的高吸液能力、吸液速度和保液能力，由植物纤维为主要原料制备的吸水产品对人体无刺激性、无副反应，是安全的可在工业和生活中使用的材料。该产品的合成一般是采用植物纤维、淀粉、多糖等，在引发剂的作用下与有机物单体由交联剂聚合制备。

本发明是在电极制作阶段添加纳米级别植物纤维，然后制备压片电极，电极成型后在温和的条件下加入有机物单体，使电极中的纤维物在交联剂的作用下与单体反应向吸水聚合物转变，形成的吸水聚合物在水系电解液中具有一定的吸水性能。电极中的吸水聚合物吸水后膨胀将原有活性炭中坍塌的孔道空间重新撑开，使活性炭的比表面积得到充分利用，另外改性过程中添加的丙烯酸等单体也可丰富电极表面含氧基团，最重要的是电极内部纳米级别的吸水物质可有效的提高电极的内部润湿性能，提高电极的电容能力。另外在改性活性炭碳电极时，形成的聚合物不能有高的吸水性，否则吸水膨胀后会破坏电极结构，因此合理控制掺杂植物纤维聚合合成吸水树脂的吸水率在一个较低的水平，这是本发明所提供的技术方案能实现技术效果的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种植物纤维掺杂及聚合改性活性炭碳电极的制备方法，制备所得碳电极与未掺杂改性的碳电极相比，润湿性好，电容能力提升显著，电容保持率基本不变，且具有原料易得、方法简单的特点。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案步骤如下：

1）将活性炭过筛、干燥备用；