[发明专利]活性炭电极材料的干法室温改性方法

说明书

技术领域

本发明涉及活性炭电极材料的干法室温改性方法，是将一种活性炭材料，利用机械设备在干法室温情况下，对其颗粒孔径大小、孔径分布、比表面积、以及结晶度加以改变，改性后的活性炭可用作超级电容器(双电层电容器)的电极材料。

背景技术

双电层电容器(Electric Double Layer Capacitor，以下简称EDLC)是依靠电化学双电层原理来实现电荷的释放与储存的，由于具有传统电容器功率密度高和充电电池能量密度大的优点，对环境无污染，应用温度范围广，被认为是介于充电电池和传统电容器之间的一种清洁、高效的新型能源器件，既可作为主电源又可用作后备电源，如便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动玩具、电动自行车、电动汽车和应急后备电源等，尤其与蓄电池联合组成混合动力系统将解决电动汽车能源的难题。世界上包括我国在内的许多国家也正在加速EDLC的产业化进程。活性炭是双电层电容器使用最广泛的电极材料，它原料丰富，价格低廉，电化学稳定性较好，研发技术相对比较成熟。在理论上，活性炭的比电容量可达200-400F/g以上，但是，现有的双电层电容器所用的活性炭比表面积有限，结晶性和导电性较差，电容漏电较大，以活性炭为电极的双电层电容器的电容量远未达到理论预期值。

目前，旨在提高活性炭性能的改性方法大多是湿法化学方法，如气、液相氧化处理和活化处理，以及采用多次活化的方法，都可以不同程度地增加活性炭的表面积和孔隙率，提高其电化学性能；这些湿法化学改性的方法多以高温、长时间炭化活化工艺为主。例如，美国专利商标局2007年3月15日公布了一种名为“电容器电极的改性活性炭及其制造方法”的发明(专利号：20070060476)，其中电极材料的改性步骤是：碱性溶液处理-硝酸溶液处理-氨水清洗-干燥-在135℃～950℃温度下热处理。美国专利商标局2007年5月10日还公布了一种名为“用于活性炭生产的炭化装置”的发明(专利号：20070101912)，它主要利用过热蒸汽对活性炭进行加热活化和炭化处理。中国专利(申请号：02130063.1)公布了一种名为“具有高比电容的成型活性炭电极的制备方法”，它是在活性炭颗粒上负载金属离子，经过高压成型并在700℃～900℃下高温炭化，从而提高材料的比电容。这些高温氧化预处理、高温碳化处理、高温活化处理等工艺，虽然对活性炭的微结构和电化学性能有一定的改善，但带来了高能耗、附加污染和活性炭其它性能的降低。此外，在进行活化处理时，不同的活化温度会形成不同的表面官能团，而表面官能团的存在对电极的漏电特性、稳定性都有影响，必须进行再处理。但多次高温活化处理会使活性炭材料收缩，电阻率增大，整体电化学特性变差。另一方面，这些湿法化学方法产生的排放物还可能对环境产生污染。

发明内容

本发明公开一种活性炭电极材料的干法室温改性方法，其目的在于克服现有技术中，利用湿法化学方法增加活性炭的表面积和孔隙率，以提高其电化学性能所采用的高温、长时间炭化活化带来的高能耗、附加污染和活性炭其它性能的降低等弊端。本发明不但可以改善和优化活性炭的孔结构和结晶性及其导电性，而且可以降低成本，节约资源，不排放污染物。

活性炭电极材料的干法室温改性方法，其特征在于：利用滚压振动磨机(国家发明专利，专利号：ZL99112092.2)作为活性炭电极材料改性设备；在惰性气体环境、干法和室温条件下进行的。

具体操作步骤如下：

a)将滚压振动磨机置于手套箱中，封闭出料口，将待加工的活性炭样品和添加剂混合均匀，由加料口加入磨机筒体内；

b)用空气过滤网将磨机加料口封闭，再将整个手套箱封闭，利用真空泵将手套箱及振动磨机筒体抽成真空，然后充入惰性气体。抽气和充气应反复进行，直到整个手套箱中的气氛完全由惰性气体控制，并且与外部大气压平衡为止；

c)通过微机设定振动频率和研磨时间并完成全部操作，即得到改性的活性炭电极材料。

所述的惰性气体环境，最好为氮气。

改性的振动频率和研磨时间可以根据原料的颗粒尺度和形貌确定，并由微机程序控制执行。

本发明采用的干法室温是指：对整个过程不加水分，不加湿度，而且不加热，不制冷，保持自然温度。

研究证明，在干法室温条件下，滚压振动磨可以通过对活性炭加载而减小其颗粒粒度，改变其孔径分布，有效提高中孔(孔径在2-50nm)在材料比表面积中所占的比例，由于中孔对提高比电容的贡献最大，这种改性方法具有独特的优势。另一方面，这种方法还可以提高活性炭晶粒的取向性，即提高材料的结晶性，从而改善其导电性。