[发明专利]用于EDLC的高电容低氧多孔碳

说明书

要求享有在先申请的优先权

本申请要求2010年1月22日提交的美国临时申请第61/297478号的权益。该文献的内容以及本文提到的出版物、专利和专利文献的所有内容都通过参考结合入本文中。

技术领域

本发明一般涉及活性炭材料，更具体地涉及具有低含氧量和高电容的活性炭材料。本发明还涉及具有碳基电极的高功率密度储能装置，所述碳基电极包含这种活性炭材料。

背景技术

超级电容器之类的储能装置可以用于许多需要离散的功率脉冲的用途。示例性应用的范围是从手机到混合动力汽车。储能装置通常包含多孔隔膜和/或夹在一对碳基电极之间的有机电解质。能量的储存是通过在电解质与电极之间界面处的电化学双电层中分离和储存电荷来实现的。这些装置的重要特性是它们所能提供的能量密度和功率密度，这两个特性均在很大程度上取决于碳基电极的性质。

适合用来结合入高能量密度装置的碳基电极是人们已知的。构成这种电极的基础的碳材料可用天然或合成前体材料制成。已知的天然前体材料包括煤、坚果壳和生物质，而合成前体材料通常包括酚醛树脂。不管是天然前体还是合成前体，碳材料均可通过先碳化前体，然后活化所得的碳来形成。活化可包含物理（例如蒸汽）或化学活化。

碳的比电容是影响该材料能否被成功结合到高能量密度装置如双电层电容器（EDLC）中的性质。比电容越高，通常导致所得装置的体积能量密度越高。除前述要求外，降低碳材料中的含氧量可有益地增长装置的循环寿命。具体地说，在合成活性炭的常规过程中，氧以表面官能团的形式结合在碳中，这对碳的性质会造成不利影响。因此，如果能提供活性炭材料以及制备具有高比电容和低含氧量的活性炭材料的方法，那将是有利的。这种材料可用来形成碳基电极，利用所述碳基电极可得到能量密度更高的装置。

发明内容

根据本发明的一个方面,适合于结合入用于超级电容器和其他储能装置的碳基电极中的活性炭材料源自天然非木质纤维素材料。通过使用非木质纤维素材料作为活性炭材料的前体，可以廉价地获得大功率的高能量密度装置。在本文中，除非另外说明，否则，“天然非木质纤维素碳前体”表示至少一种天然非木质纤维素碳前体。

根据本发明的另一个方面，低含氧量活性炭材料制备如下：在惰性或还原性气氛中加热天然非木质纤维素碳前体，形成第一碳材料；将所述第一碳材料与无机化合物混合，形成水性混合物；在惰性或还原性气氛中加热所述水性混合物，使所述无机化合物结合到所述第一碳材料中；从所述第一碳材料中除去所述无机化合物，得到第二碳材料；在惰性或还原性气氛中加热所述第二碳材料，形成低含氧量活性炭材料。

根据一个实施方式的活性炭材料的结构有序比（SOR）小于或等于0.08，含氮量大于0.1重量％，含氧量小于5重量%。根据另一个实施方式的活性炭材料的含氧量小于3重量%，体积比电容大于75F/cm³。

在以下详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述和权利要求书在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。

具体实施方式

一种制备活性炭材料的方法包括：在惰性或还原性气氛中加热天然非木质纤维素碳前体，形成第一碳材料；将所述第一碳材料与无机化合物混合，形成水性混合物；在惰性或还原性气氛中加热所述水性混合物，使所述无机化合物结合到所述第一碳材料中；从所述第一碳材料中除去所述无机化合物，得到第二碳材料；在惰性或还原性气氛中加热所述第二碳材料，降低所述第二碳材料中的含氧量，形成低含氧量活性炭材料。

根据另一个实施方式，制备活性炭材料的方法包括：形成天然非木质纤维素碳前体与无机化合物的水性混合物；在惰性或还原性气氛中加热所述水性混合物，形成第一碳材料；从所述第一碳材料中除去所述无机化合物，形成第二碳材料；在惰性或还原性气氛中加热第二碳材料，形成低含氧量活性炭材料。根据前述方法形成的活性炭材料可用来形成碳基电极，用于高能量密度装置。

所述碳前体是天然非木质纤维素材料。如本文所定义,同时包含纤维素和木质素的物质是木质纤维素，例如可以包括任意的一些构成植物木质细胞壁主要部分的紧密相关的物质，其中纤维素与木质素紧密连接。非木质纤维素碳前体基本上不含木质素和纤维素中的至少一种。“基本上不含”是指木质素和纤维素中的至少一种在碳前体组成中的含量至多为例如0.5重量%、1重量%或2重量%。