[发明专利]一种制备极低灰分超级电容活性炭的后处理工艺

说明书

技术领域

本发明属于新能源和新材料中高性能活性炭的处理技术领域，主要涉及超级电容活性炭的杂质去除，有效降低活性炭灰分含量的方法，提高和稳定超级电容活性炭电极材料的品质。

背景技术

超级电容器电极材料主要有活性炭、金属氧化物和导电聚合物等三类材料。它们各有优缺点，金属氧化物材料容量大但价格昂贵，导电聚合物加工性能良好并且可以大规模生产但是容易被电解液溶胀而性能迅速下降。

活性炭电极材料因为生产成本低、工艺成熟，性能稳定是当前各大公司普遍采用的超级电容电极材料。超级电容活性炭材料不同于一般的活性炭，它有很高的指标要求：高比表面、合适的三级孔结构、高振实密度、高电导率、高纯度。这六个指标是相互制约的，合理调控这些指标是得到高容量超级电容活性炭的关键。目前高质量超级电容活性炭制备技术主要掌握在欧美和日本手里，国内有几家企业在模仿国外技术试生产出了超级电容活性炭，但是品质还是不能和国外同类产品相比。

影响高导电率和高纯度这两个指标的主要因素是灰分的含量。超级电容活性炭对灰分含量的要求比吸附、催化和食品医药级活性炭更为严格，国外高端超级电容活性炭厂家灰分指标控制在0.1％以下，国内超级电容活性炭厂家一般控制在1％以下。灰分一般为无机氧化物(SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、Fe₂O₃、K₂O、Na₂O)，还含有少量的硫酸盐、碳酸盐等。这些杂质灰分的存在对超级电容活性炭的性能影响是致命的，它会降低活性炭的机械强度、增加电阻并且很容易同电解液发生反应造成大的漏电流。因此灰分的去除是生产超级电容活性碳的关键技术，也是制约国内活性炭企业生产超级电容活性炭的技术瓶颈。

高质量超级电容活性炭的制备是一个复杂的技术过程，需要在原料选择，炭化活化制备过程和后处理三个方面进行精巧的控制。原料主要选择碳含量高(80％以上)杂质少的材料：石油焦活性炭、树脂基活性炭和椰壳、杏核等植物基活性炭。炭化活化过程控制不是本发明关注的内容，本发明主要着眼于高性能活性炭制备的后处理工艺。在原料和炭化活化条件确定的前提下，脱灰处理成为影响活性炭质量的主要因素，脱灰有前期、中期、后期处理三种工艺。前期脱灰是指对生产活性炭的原料进行脱灰处理。中期处理是指对半成品炭化料进行脱灰处理，然后再活化制得活性炭。后期处理即是对活性炭产品进行脱灰，一般采用的是用稀盐酸溶液洗涤的方法。前期处理因为处理的原料量比较大，极大的增加了成本。中期处理研究的比较少，后期处理具有诸多优点，原料经过碳化和活化后体积和质量已经有了很大的缩小，这样所消耗的洗涤剂碱和酸的量会大大的减少，降低了污染和成本。

国内大多数活性炭企业都是选用盐酸对活化后的活性炭进行酸洗脱灰，通常可降低40～80％的灰分，能够使活性炭灰分降低到8％以下，但欲使炭灰分下降至4％或更低水平，一般单靠酸洗已难以奏效。

公开号101723359A，名称，“一种电极用活性炭的洗涤方法”中采用超声波和微波辐射结合热水、热酸的浸渍洗涤的方法，降低了活性炭电极材料灰分杂质。

公开号101544369，名称，“一种去除活性炭灰分的方法”中采用在漂洗液中添加聚丙烯酰胺或者聚氯化铝的絮凝剂来降低活性炭灰分的方法。

公开号101269810，名称，“活性炭精制工艺”采用热碱洗和热酸洗的工艺来降低活性炭中的灰分。

公开号1220237，名称，“活性炭高温氯化脱灰工艺”中采用在密封的反应炉内，在高还原性气氛下，通过氯化剂和催化剂的作用，以渗透或流态化方式，使活性炭中的灰分与氯化剂发生反应生成气态氯化物排出炉外作为副产品回收，从而降低了灰分。

文献：“煤基活性炭微波加热酸碱脱灰的研究”，作者张军等采用微波加热碱酸法降低活性炭的灰分。

文献：“活性炭深度脱灰的新方法”，作者杨霞等采用加压碱酸洗涤的方法降低活性炭的灰分。