[发明专利]一种天然果壳碳材料的制备及其电化学电容器应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳材料的制备及其在电化学电容器上的应用，更特别地说，是指一种采用天然果壳作为碳材料的前驱体，经高温碳化—碱活化后得到纳米多孔的碳材，并且能够用来制作电容器的电极，属于无机纳米材料及电化学领域。

背景技术

自然界中存在着各种各样的果壳。有的壁厚且坚硬，如开心果、核桃壳、杏仁壳、樱桃壳和酸枣壳等。也有些壳壁致密但较薄的，如葵花籽壳、西瓜子壳、花生壳、碧根果壳等。

超级电容器从储能机理上面分的话，超级电容器分为双层电容器和赝电容器。是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能装置，其容量可达几百至上千法拉第，同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。

双电层电容器的电极材料主要集中在活性炭、模板炭、碳纳米管、碳纤维、碳黑和高活性中间相碳微球等方面，但是受到电解液中溶剂分解电压的限制，电容器的工作电压在水系溶剂中为1V左右，在非水系溶剂中为3V左右，因此目前提高能量密度是碳电极材料的研究核心，主要通过提高碳材料的比表面积、优化碳材料的孔结构以及通过表面沉积或化学修饰等方法制备碳基复合材料。在各种碳材料中，活性碳制造技术成熟、工艺简单、价格较低，是双电层电容器首选的电极材料。双电层电容器目前的研究热点为碳材料的合成新方法新工艺、处理方法、孔径大小及孔径分布对有机和无机电容器性能的影响，有机电解液特别是离子液体的研究以及有机双电层超级电容器失效机理等。

目前超级电容器碳电极材料的研究主要集中在制备具有高比表面积、高微孔率、合理的孔径分布、较小的内阻、高堆积比重、高电导率、高纯度和高性价比、良好的电解液浸润性以及具有特殊结构的碳电极材料上。但是，高比表面积的活性碳多为介孔碳，而发达的介孔势必会牺牲一定的微孔比表面积；同时发达的孔隙结构也制约了碳材料的堆积比重，降低了碳材料的电导率，因此如何优化碳材料的各种结构参数，获得优异的电化学性能，将成为碳材料研究的热点。

发明内容

为了提高碳材料的电导率，同时阻止多孔碳材料中孔的长大，本发明提出了一种应用天然果壳作为碳材料的前驱体，通过高温碳化—制粉—碱活化得到多孔纳米果壳碳结构材料。在碱活化过程中，控制活化剂与果壳碳粉材的质量比，使得活化之后所得到的多孔纳米果壳碳材料展示了非常优异的双电层电化学电容特性。

本发明提出的一种采用天然果壳制碳材料的前驱体，以及将多孔纳米天然果壳碳材料制作电容器电极材料的制备，包括有下列步骤：

步骤一，碳化天然果壳；

将干燥的天然果壳置于管式炉中的钢玉舟内，在惰性保护气氛中进行碳化，制得碳化后果壳；

碳化条件：在升温速率为2～10℃/min条件下升温至200～300℃，恒温处理0.5～3小时；然后在升温速率为2～10℃/min条件下升温至600～800℃，恒温处理3～5小时；

在本发明中，干燥的天然果壳是指含水量低于10％的天然果壳。

在本发明中，天然果壳是指自然界中存在着各种各样的果壳。有的壁厚且坚硬，如开心果、核桃壳、杏仁壳、樱桃壳和酸枣壳等。也有些壳壁致密但较薄的，如葵花籽壳、西瓜子壳、花生壳、碧根果壳等。

步骤二，制作果壳颗粒碳材料；

将步骤一制得的碳化后果壳放入球磨机中，选取球磨介质，球磨处理6～15小时后，得到20～120目果壳碳粉材；

在本发明中，球磨介质为大、中、小三种直径玛瑙球，其中，玛瑙球直径分别为2cm、1cm和0.5cm；

在本发明中，1克的碳化后果壳需要10～30克的玛瑙球，10克的玛瑙球中加入0～25克的大直径玛瑙球、0～25克的中直径玛瑙球、0～25克的小直径玛瑙球；

将果壳碳粉材与体积百分比为5～10％的氢氟酸水溶液混合均匀，在超声频率为30～50KHz的条件下，超声处理15～30分钟，超声去除硅盐物质；然后加入去离子水，离心洗涤至pH值为中性；过滤取滤上物，并置于温度为40～80℃烘箱内干燥处理4～7小时，得到果壳颗粒碳材料；

在本发明中，1克的果壳碳粉材中加入50～150毫升的氢氟酸水溶液。

在本发明中，离心洗涤选取的转速为4000～6000转/分钟。

在本发明中，去除的硅盐物质是二氧化硅。