[发明专利]碳的微波能辅助的化学活化

说明书

相关申请交叉参考

本申请根据35U.S.C.§120，要求2012年8月21日提交的美国申请系列第13/590,568号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

背景技术

本发明一般地涉及形成活性碳的方法，更具体地，涉及采用多次、离散加热步骤的、微波能辅助的、碳的化学活化。

超级电容器之类的储能装置可用于许多需要离散的功率脉冲的应用。示例性应用的范围包括从手机到混合动力汽车。超级电容器通常包含夹在一对碳基电极之间的多孔隔膜和有机电解质。能量的储存是通过将电荷分离并储存在电解质与电极之间的界面处产生的电化学双电层中来实现的。这些装置的重要特性是它们可提供的能量密度和功率密度，所述能量密度和功率密度在很大程度上都取决于电极中所结合的碳的性质。

已知适合将碳基电极结合入能量存储装置中。形成电极的基础的活性碳可由天然或合成前体材料制成。天然前体材料包括煤、坚果壳和生物质。合成前体材料通常包括酚类树脂。无论是天然前体还是合成前体，活性碳均可通过先使得前体碳化，然后使得中间产物活化来形成。活化可以包括在提升的温度下的化学活化或者物理活化(例如，蒸汽或CO₂)，以增加孔隙率进而增加碳的表面积。

物理和化学活化过程通常都涉及大的热衡算，以对碳化的材料进行加热并与活化剂发生反应。在化学活化的情况下，当对碳化的材料进行加热并与化学活化剂(例如KOH)发生反应时，会形成腐蚀性副产物。这会增加整体工艺的复杂度和成本，特别是对于在提升的温度下进行延长的时间段的反应。

因此，提供活性碳材料和采用更经济的化学活化路径来形成活性碳材料的方法会是有利的。所得到的活性碳材料可具有高的表面积:体积比，并且可用于形成实现高效、长寿命和高能量密度装置的碳基电极。

发明内容

一种用于形成活性碳的方法，所述方法包括：提供碳原料，将碳原料与化学活化剂混合以形成原料混合物，将原料混合物引入微波反应室中，采用微波能、采用多个加热步骤在各个加工温度下对原料混合物进行加热，以及使得碳原料与化学活化剂反应以形成活性碳。在加热步骤之后，可以对活性碳进行水淬冷，以对活性碳进行冷却和清洗。

各个加热步骤包括将原料材料维持在加工温度，持续一段确定的时间。通过在工艺中结合多个加热步骤，可以控制碳原料与化学活化剂之间的反应。在一些实施方式中，连续进行多个加热步骤而没有将碳原料降低至室温，直至工艺完成。

在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的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、权利要求书以及附图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，目的是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。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。

附图简要说明

结合以下附图阅读本发明，便可以最好地理解下文中的发明详述，图中相同的结构用相同的编号表示：

图1是对于示例性原料混合物，耗散因数与温度的关系图；

图2A和2B显示多模微波腔(A)和变频微波腔(B)内的能量和温度分布图；

图3是用于在微波反应器内形成活性碳的一种示例性坩锅设计；

图4是根据本发明的一个实施方式，用于制备活性碳的微波反应器的示意图；

图5A和5B是根据本发明的另一个实施方式，用于制备活性碳的微波反应器的示意图；

图6是根据本发明的另一个实施方式，用于制备活性碳的微波反应器的示意图；

图7所示是根据一个实施方式的多个加热步骤的温度和微波功率与时间的关系图；

图8是对于比较工艺的炉温和炉设定点与时间的关系图；

图9所示是根据另一个实施方式的多个加热步骤的温度和微波功率与时间的关系图；以及

图10是一个示例性超级电容器的示意图。

具体实施方式