[发明专利]活性炭材料及其作为双电层电容器电极材料的应用

说明书

（一）技术领域

本发明涉及一种活性炭材料及其作为双电层电容器电极材料的应用。

（二）背景技术

双电层电容器（Electrochemical Double Layer Capacitor，简称EDLC）是介于传统电容器与电池之间的一种新型储能器件，具有比功率高大于1kW/kg，甚至达每千克几十千瓦）、寿命长（10万次以上）、使用温度宽（-40℃～70℃）及充电迅速（小于3min）等优点。双电层电容器这些特点使它具有广泛的应用前景。

双电层电容器的电极材料主要是各种高比表面积碳材料，如活性炭、碳纳米管和炭气凝胶等。活性炭由于其价格低廉、原料丰富、电化学稳定性高等特点而成为最具产业化前景的电极材料。但目前用于双电层电容器的商业活性炭主要是各种高比表面积的微孔炭。基于这种微孔炭的双电层电容器比容低。

（三）发明内容

本发明的第一个目的是提供一种中小孔活性炭材料，其孔径在2-5nm，其用作双电层电容器电极材料时能够提高电容器容量且充放电性能优良。

本发明的第二个目的是将所述的活性炭材料用作双电层电容器电极材料，以提高电容器容量并获得良好的充放电性能。

下面对本发明的技术方案做具体说明。

一种活性炭材料，它是以毛竹为碳源，采用磷酸-二氧化碳物理化学活化法制备得到，其制备方法具体包括如下步骤：

（1）取毛竹片，加入磷酸溶液充分浸泡，取出毛竹片干燥；

（2）将步骤（1）所得的毛竹片置于管式炉中，在N₂气氛保护下升温至400-800℃，然后切换为CO₂气氛恒温活化1-4h，结束后切换回N₂保护冷却至室温；

（3）将步骤（2）所得产品碾碎，并用去离子水洗至滤液pH值大于6，干燥得到活性炭材料。

所述步骤（1）中，磷酸作为化学活化剂，通过浸泡使其浸入到毛竹中，磷酸的加入能够改变毛竹的热解过程，易于扩孔。所述的磷酸溶液的质量分数优选为40~85%，更优选为60~85%；磷酸质量与毛竹片的投料质量比为2~4：1。为了使磷酸充分浸入到毛竹中，可先将毛竹剪成一定尺寸的小竹片（例如长1cm宽0.5cm的小竹片），并且浸泡过程中，可适量搅拌使之混合均匀。通常，浸泡在室温下（25~30℃）进行，浸泡时间在1~9天，优选5~9天。

所述步骤（2）中，先在氮气保护下升温至反应温度，升温速率优选为5~10℃/min，然后切换为二氧化碳气体，以二氧化碳作为物理活化剂进行反应，反应温度在400~800℃，反应时间为1~4小时；优选的，反应温度为500~600℃，反应时间为3-4h；更优选的，反应温度为500℃，反应时间为3h。反应过程中通常控制二氧化碳的流量在40~60cm³/min。

所述步骤（3）中，用去离子水洗去多余的磷酸，去除杂质，有需要也可先用盐酸洗涤再用去离子水洗至中性。

本发明还提供了所述的活性炭材料作为双电层电容器电极材料。

本发明与现有技术相比，其有益效果主要体现在：

本发明采用廉价的毛竹废料为碳源，二氧化碳气体为物理活化剂，磷酸为化学活化剂，采用物理化学联合活化法制备活性炭材料，所用原材料来源广泛、易得到、价格低廉，易于工业化实施；制备工艺简单，无废水废气排放，因而对环境友好；用活性炭材料制备的双电层电容器容量高，充放电性能优良。

(四)附图说明

图1是实施例1所制备活性炭的XRD衍射图；

图2是实施例1所制备活性炭的扫描电镜（SEM）及透射电镜(TEM)照片；

图3是实施例1所制备活性炭的77K氮气吸附脱附曲线；

图4是实施例1所制备的双电层电容器充放电曲线图，电压范围0~0.8V，充电电流为0.4A/g，测量温度为25±5℃。

（五）具体实施方法

下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1