[发明专利]一种淀粉基均分散活性炭微球材料的制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种淀粉基均分散活性炭微球材料的制备方法及其应用。本发明以淀粉为原料，先糊化得到半透明胶状体，再进行水热处理得到水热碳焦，然后对水热碳焦进行碳化活化处理制得均分散的活性炭微球材料。所制备的活性炭微球直径为0.2～3μm、粒径可控、分散均一、比表面积为1000～2000m2/g且其大小可控。将其应用于超级电容器中性能优良，在1A/g的电流密度下比容量达到208F/g、功率密度为998.6W/Kg、能量密度为28.8Wh/Kg，在5A/g电流密度下的比电容达到187F/g、功率密度为4540W/Kg、能量密度为21.4Wh/Kg。本发明采用绿色可再生的原料、工艺简单、对环境友好、适合规模化生产。 1

主权项

1.一种淀粉基均分散活性炭微球材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 淀粉糊化：将水与淀粉原料以0.5~20的液/固质量比进行混合，在50~100℃的温度下回流搅拌2~24 h进行糊化，制备出半透明的胶状体中间产品；

(2) 水热：将步骤(1)所制备的半透明胶状体中间产品转移到高压水热反应釜中，其体积填充率为0.2~0.9，在温度为150~300℃下水热处理2~36h之后冷却到室温，将水热产物洗涤与抽滤至中性，然后在80~120℃温度下干燥至恒重，制备出均一分散的球形水热碳焦；

(3) 碳化活化：将活化剂配成浓度为0.2~6.0mol/L的活化剂溶液，再将步骤(2)所制得的均一分散的球形水热碳焦置于活化剂溶液中，其中水热碳焦与活化剂的质量比为0.5~5，二者混合后在室温下搅拌1~12h，然后将其在50~150℃温度下烘干、研磨，得到水热碳焦与活化剂的均匀混合物，再将混合物在500~1300℃的恒温惰性气氛中进行0.5~10h的碳化活化处理后随炉冷却到室温，取出样品后分别采用0.05~2.0mol/L的盐酸和蒸馏水将样品洗涤抽滤至中性，最后将其在温度为80~120℃的干燥箱中干燥至恒重，制备出第一段活性炭微球材料；

(4) 将第一段活性炭球材料置于高温炉中，在200~500℃的恒温活化气氛中热处理0.3~6h后随炉冷却到室温，得到淀粉基均分散活性炭微球材料；

步骤(4)所述的活化气氛是指氮气、氩气、二氧化碳气、氧气、氨气中的两种以上的气体混合物，气体混合物中至少一种为氧气或氨气，氧气或氨气在混合气体中的体积百分数为0.5~25%；单一气体的纯度大于等于99.9%，混合气体的流量为5~500ml/min。

2.根据权利要求1所述的淀粉基均分散活性炭微球材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的淀粉为红薯淀粉、木薯淀粉、绿豆淀粉、土豆淀粉中的一种或两种以上。

3.根据权利要求1所述的淀粉基均分散活性炭微球材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的活化剂是指碱金属的碳酸盐、磷酸盐、氢氧化合物，或者其它金属的卤素盐中的一种或两种以上的混合物。

4.根据权利要求1所述的淀粉基均分散活性炭微球材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的惰性气氛是指氮气、氩气、二氧化碳气体中的一种或两种以上的混合物，其中单一气体的纯度大于等于99.9%，混合气体的流量为5~500ml/min。

5.权利要求1至4任一项所述的制备方法得到的淀粉基均分散活性炭微球材料在超级电容器中的应用。

6.根据权利要求5所述的淀粉基均分散活性炭微球材料在超级电容器中的应用，其特征在于，包括如下步骤：

(a) 淀粉基均分散活性炭微球材料电极的制备

首先将粘结剂溶于N‑甲基吡咯烷酮中，配成0.02~1g/ml的溶液，再将淀粉基均分散活性炭微球材料、导电剂加入到粘结剂溶液中，搅拌均匀至膏状，涂覆在集流体上，再将其在80~120℃的干燥箱中烘干8~24h，经辊压后裁成电极片，即得到淀粉基均分散活性炭微球材料电极，所述淀粉基均分散活性炭微球材料、导电剂及粘结剂满足如下质量百分比：淀粉基均分散活性炭微球材料70~95%、导电剂3~15%、粘结剂2~15%；

(b) 淀粉基均分散活性炭微球超级电容器的组装

将步骤(a)得到的电极片按电极片、隔膜、电极片依次放入超级电容器模具中构造成二电极的三明治结构，滴加电解液后将超级电容器模具紧固密封，即组装成超级电容器。

7.根据权利要求6所述的淀粉基均分散活性炭微球材料在超级电容器中的应用，其特征在于，所述的导电剂为导电炭黑、石墨中的一种或两种；所述的粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠或丁苯橡胶中的一种或两种以上；所述的集流体为多孔网状、箔状或织物状的高电子导电率材料，涉及到泡沫镍、镍箔或镍网、铜网或铜箔、不锈钢网、不锈钢冲孔钢带或不锈钢箔、钛箔或钛网、铅箔或铅布、石墨化碳布或石墨烯布材料中的一种或两种以上。

8.根据权利要求6所述的淀粉基均分散活性炭微球材料在超级电容器中的应用，其特征在于，所述的电解液为一种或两种以上碱金属氢氧化物的水溶液，其浓度为1~8mol/L；所述的隔膜为玻璃纤维纸、尼龙布、聚乙烯醇膜或石棉纸中的一种。