[发明专利]以高硫石油焦制备超级电容器碳电极材料的方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种制备超级电容器碳电极材料的方法，属于电化学领域。

背景技术

电化学电容器（EDLC）又称双电层电容器或超级电容器，它是介于二次电池和传统电容器之间的一种新型的储能元件。EDLC具有功率密度高、循环使用寿命长、充电速度快等优点，被广泛应用于移动通讯、汽车工程、电力系统、航空航天和国防科技等领域。自1954年出现了EDLC 活性炭电极的发明专利以后[Becker. H. I. Electric double layer capacitor[P]. US, 2800616, 1957.]，EDLC 先后经历20 世纪70年代的商品开拓期和80年代的摇篮期后，直到90 年代EDLC 的制造技术才日臻成熟。鉴于EDLC的重要性和广阔的未来前景，许多国家都给予了高度重视，成为国家重要的研究项目。如1996 年欧共体制定了电动汽车超级电容器的发展计划；美国能源部也制定了相应的发展超级电容器的研究计划，2003 年以后的超级电容器的比功率达到1500 W·Kg^-1，循环使用寿命在100000 次以上[张步涵，王云玲，曾杰.超级电容器储能技术及其应用[J].水电能源科学，2006，24(5)：51-53]，2007 年《探索》杂志将EDLC列为2006 年世界七大科技发现之一，认为EDLC 将取代传统的蓄电池而使用。我国在EDLC 及其多孔炭电极材料的研究方面起步较晚，目前国内能够批量生产EDLC 并达到实用化水平的厂家只有10 家左右。

从电化学电容器的工作原理可以看出，作为EDLC 的电极材料应该具有如下特点：（1）比表面积大、孔隙结构发达且开孔率高，能吸附大量电解质；（2）在各种酸、碱溶液中的化学稳定性高；（3）在很宽的温度范围内性能稳定；（4）易加工成各种形状的电极；（5）价格低廉、来源丰富；（6）不含有重金属，对环境无污染。

碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料，现在已有许多不同类型的炭材料被证明可用于制备EDLC，如活性炭、活性炭纤维、碳气溶胶、碳纳米管、模板炭等。在这些炭材料中，活性炭以其比表面积大、孔容量高、和容易负载金属等特点，是唯一实现了较大规模商业化应用的超级电容器电极材料。

石油焦是石油炼制过程中的副产物，根据硫含量的不同，石油焦可分为高硫焦（S≥3%，一般为3 %～6 %）和低硫焦（S≤3%）。石油焦经过化学活化处理后，可以获得高比表面积的和发达孔结构的活性炭，石油焦具有来源丰富，含碳量高、灰分含量低等优点也说明它是优良的炭原料。目前，由于低硫石油焦基活性炭具有发达的孔隙结构和特殊的表面特性，低硫的优质石油焦已被证明是制备高性能碳电极的优良原料，利用石油焦制备高比表面积活性炭的工艺在美国、日本等国家也已经实现产业化[赵子明.高硫石油焦的工业利用前景分析[J].中外能源，2006（5）：65-67.]。随着世界石油价格的飞速上涨及世界原油的重质化、劣质化，低硫石油焦的价格也随之不断升高，而高硫石油焦的产量及其在石油焦总量中的比例不断上升，目前绝大部分高硫焦均作为低价值燃料使用，价格仅为低硫焦的一半左右，仅能达到煤炭价格的1/3～1/4[Huaihao Zhang, Jinfu Chen, Shaohui Guo. Preparation of natural gas adsorbents from high-sulfur petroleum coke[J]. Fuel, 2008，87(3): 304-311.]，燃烧释放的二氧化硫气体严重污染大气，如何实现高硫石油焦的清洁利用，提高经济效益，成为国内炼油行业关心的问题。

发明内容

本发明的目的是以高硫石油焦为原料，开发适用于EDLC的炭电极材料，不仅可以增加高硫焦的经济附加值，而且对降低EDLC的生产成本。

本发明包括以下步骤：

1） 把高硫石油焦粉碎筛分后得到40～140目的颗粒；

2） 将粉碎后的高硫石油焦颗粒在100℃条件下烘干；

3） 将KOH、烘干后的高硫石油焦颗粒和NaOH以10～60︰10︰1的摩尔比混合，在650℃ -850℃下活化1～3 h，制成活化的高硫石油焦基碳材料；

4）把活化的高硫石油焦基碳材料降至室温，经洗涤至中性后过滤、真空干燥，得到电容器电极材料。