[发明专利]含有经过CO2活化的椰炭的高压EDLC电极

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2013年7月26日提交的美国专利申请 系列号61/858929的优先权，并根据35U.S.C.§120要求于2014年1月28日 提交的美国专利申请系列号14/166457的优先权，其全部内容通过引用纳入本 文。

背景

领域

本发明总体上涉及活性炭的形成方法，更具体而言，涉及使用二氧化碳对 基于椰炭的碳进行物理活化，本发明还涉及具有包含这种活性炭的碳基电极的 高压EDLC。

技术背景

诸如超级电容器的储能装置可用于许多例如需要离散的功率脉冲等应用 中。示例性应用的范围包括从手机到混合动力汽车。超级电容器也被称为电化 学双层电容器(EDLC)，其已逐渐成为需要高功率、长保存期限和/或长循环 寿命的应用中的电池的替代物或比这种电池更好的产品。超级电容器通常包含 被一对碳基电极夹在中间的多孔隔膜和有机电解质。能量的储存是通过将电荷 分离并储存于在电极与电解质之间的界面处产生的电化学双层中来实现的。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 密度都在很大程度上取决于结合入电极中的碳的性质。

适合结合入能量存储装置中的碳基电极是已知的。由于活性炭具有较大的 表面积、电子导电性、离子电容、化学稳定性和/或较低的成本，因而被广泛用 作超级电容器中的多孔材料。活性炭可由例如酚醛树脂的合成的前体材料或例 如煤炭和生物质的天然前体材料制得。利用合成和天然前体，活性炭可通过先 使前体碳化再使中间产物活化来形成。活化可包括在升高的温度下进行的提高 碳的孔隙率的物理(例如蒸汽)或化学活化，从而提高其表面积。

物理和化学活化处理通常都包含大量的热衡算以对碳化材料进行加热并 使其与活化剂反应。在化学活化的情况下，当碳化材料被加热并与例如KOH 等活化剂反应时，可形成腐蚀性的副产物。另外，碳化材料在加热和反应过程 中可能发生相变，且化学活化剂可在处理过程中导致不希望的混合物团聚。这 些缺陷会增加整个过程的复杂度和成本，特别是对于那些在长时间下在升高的 温度下进行的反应而言。

因此，如果能够在将腐蚀和/或团聚的技术问题降至最低的同时，通过一 种更加经济的活化途径来提供活性炭材料和用于形成活性炭材料的方法，那将 是有益的。所得到的活性炭材料可具有较高的表面积:体积的比值和最低的反应 性，特别是在升高的电压下与有机电解质的反应性，并且可用于形成使装置具 有高效、长寿命和高能量密度的碳基电极。

发明内容

根据本发明的实施方式，适合结合入超级电容器用和其它高功率密度能量 存储装置用碳基电极中的活性炭是由基于椰炭的前体材料通过二氧化碳活化 来衍生得到的。与化学活化途径相比，本发明的CO₂活化的碳可使成本降低多 达50％。

活性炭可通过在能够有效形成碳材料的碳化温度下对椰壳进行加热，然后 在能够有效形成活性炭的活化温度下使该碳材料与二氧化碳发生反应来制备。

在一种实施方式中，一种活性炭的形成方法包括：通过在能够有效形成碳 材料的碳化温度下对椰壳材料进行加热来使该椰壳材料碳化；以及在使该碳材 料暴露于二氧化碳的同时，通过在活化温度下对该碳材料进行加热来使该碳材 料活化。

所得到的活性炭包含孔径≤1nm的孔，它们所提供的总孔容≥0.2cm³/g； 孔径＞1nm且≤2nm的孔，它们所提供的总孔容≥0.05cm³/g；以及任何孔径 ＞2nm的孔，它们的总孔容＜0.25cm³/g。

在以下的详细描述中提出了本发明内容的附加特征和优点，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即容易理解，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内容而被认 识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本发明内容的实施方 式，用来提供理解要求保护的本发明内容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主题的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说 明书的一部分。附图例示了本发明的主题的各种实施方式，并与说明书一起对 本发明的主题的原理和操作进行阐述。此外，附图和说明书仅仅是示例性的， 并不试图以任意方式限制权利要求的范围。