[发明专利]通过夹带流方法对碳进行化学活化

说明书

相关申请交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119，要求2013年2月28日提交的美国专利申请 系列第61/770,491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。

技术领域

本发明一般地涉及形成活性炭的方法，更具体地，涉及通过夹带流方法对 碳进行化学活化。

背景技术

超级电容器之类的储能装置可以用于许多例如需要离散功率脉冲的应用。 示例性应用从手机到混合动力汽车。在需要高功率、长寿命和/或长循环寿命的 应用中，超级电容器已经被用作电池的替代品。超级电容器通常包含夹在一对 碳基电极之间的多孔分隔器和有机电解质。能量的储存是通过将电化学双层中 的电荷分离并储存在电极和电解质之间的界面处来实现的。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含的碳的性质。

已知碳基电极适合用于储能装置。得益于活性炭的大表面积、导电性、离 子电容性、化学稳定性和/或低成本，其被广泛地用作超级电容器中的多孔材料。 采用天然前体材料(例如煤、坚果壳和生物质)或者合成材料(例如酚醛树脂) 制造活性炭。无论是天然前体还是合成前体，活性炭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。此外，可能在碳化的 材料的加热和反应过程中发生相变化，并且化学活化剂可能导致加工过程中混 合物的团聚。这些缺陷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。

已经报道了当腐蚀性物质(例如KOH)用于碳的化学活化时的显著问题。 例如，当在碳活化中使用回转窑时，通常要求进料在活化温度下的处理之前经 受煅烧和/或干燥和/或脱水。团聚倾向于引起明显问题，例如在连续过程中(例 如采用螺旋捏合机的工艺中)，工艺复杂度和/或成本的增加。采用其他技术(例 如辊道炉床)作为避免团聚问题的方法，其中，使装载有活性混合材料的碟子 通过多区域隧道炉。此类炉可能是操作上具有高成本的，并且可能具有有限的 输出，因为一次仅有一个碟层通过炉。炉宽度也是辊道炉床的输出的限制因素， 因为跨越炉子的辊道长度受到材料可行性以及使用温度下的强度的限制。

因此，提供活性炭材料和采用更经济的化学活化路径来形成活性炭材料， 同时使得腐蚀和/或团聚的技术问题最小化的方法是有利的。所得到的活性炭材 料可具有高的表面积与体积比，并且可用于形成碳基电极，其实现了高效、长 寿和高能量密度的装置。

发明内容

在各个实施方式中，本发明涉及用于形成活性炭的方法，该方法包括：提 供进料混合物，所述进料混合物包含碳进料和至少一种化学活化剂；将进料混 合物引入到反应器中；通过将热流引入到反应器中，将进料混合物快速加热到 至少是固化温度；将经加热的进料混合物引入到反应容器中；以及在反应容器 中，将经加热的进料混合物在一定温度下保持一定的时间，其足以使得碳进料 与所述至少一种化学活化剂反应以形成活性炭。

根据各个实施方式中，进料混合物的快速加热包括在一段足以使得进料混 合物在整个加热阶段维持基本固体状态的时间段内，对混合物进行加热。

在某些实施方式中，进料混合物中的化学活化剂与碳进料的质量比约为 0.5:1至5:1。在各个实施方式中，进料混合物可以包括碳进料与所述至少一种 化学活化剂的颗粒混合物，即干燥组分或基本干燥组分的粉末或颗粒混合物。 在各个实施方式中，反应器可以是夹带流反应器，例如在反应器中，进料混合 物被夹带在热流中。在一些非限制性实施方式中，所述至少一种化学活化剂包 括KOH，热流包括蒸汽或者气体(例如蒸汽和氮气)的混合物。

在以下的详细描述中提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各种实施方式而被认 识。