[发明专利]利用至少一种添加剂对碳进行的化学活化

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31日提交的美国临时申请序列号61/ 860489的优先权，本申请以该文为基础，该文的内容通过引用全文纳入本申请。

技术领域

本发明总体上涉及活性炭的形成方法，更具体而言，本发明涉及利用至少一种添 加剂对碳进行化学活化以减轻气泡和/或熔化。

背景

例如超级电容器的储能装置可被用于各种应用中，范围从手机到混合动力汽车。 超级电容器正逐渐成为需要大功率、长贮藏寿命和/或长循环寿命的应用中的电池的替代 物。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。活性炭可由例如煤炭、椰壳和生物质的天然前体材料或例如酚醛树脂的合成材 料制得。利用天然和合成前体，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提高碳的孔隙率的物理(例如水蒸气或CO₂)或化学活化，从而 提高其表面积。本领域中已被使用的若干化学试剂包括KOH、NaOH、LiOH、H₃PO₄、Na₂CO₃、KCl、 NaCl、MgCl₂、AlCl₃、P₂O₅、K₂CO₃、K₂S、KCNS和/或ZnCl₂；然而，例如KOH、NaOH和LiOH的碱金属氢 氧化物被广泛使用以实现各种所需的性质。

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碱金属氢氧化物的苛性化 学活化剂反应时，可形成腐蚀性的副产物。另外，碳化材料和化学活化剂在加热和反应过程 中可能发生相变或熔化，这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。

据报道，当在碳的化学活化中使用例如KOH的苛性物质时会产生严重的问题。例 如，当在碳活化中使用旋转窑时，通常需要使原料在进行活化温度下的处理前经过煅烧和/ 或干燥和/或脱水处理。团聚常常会产生严重的问题，例如增加过程的复杂度和/或成本，例 如在连续过程中，过程需要使用螺旋捏合机。

作为一种避免团聚问题的方法，已使用例如滚筒炉的其它技术，其中，在托盘上装 载活化混合材料并使其通过多区域隧道炉。这种炉子的运行成本会比较高且其通量会受 限，因为每次只能由一个托盘水平通过炉子。炉膛宽度也是一个限制滚筒炉通量的因素，因 为横跨炉子的滚筒长度受到工作温度下的材料效用和强度的限制。

另外，使用碱金属氢氧化物的化学活化会在处理过程中释放出若干种气体(例如 CO、CO₂、H₂和H₂O)，这些气体会形成泡沫。活化过程中的起泡会限制能够在活化反应器中被 处理的材料的量。例如，在一些种情况中，考虑到处理中产生的气泡，坩埚中用于装载原料 混合物的体积只占到坩埚容积的大约10～30％，例如大约20％。如上所述，原料混合物的腐 蚀性使其需要使用由昂贵且耐腐蚀的材料制成的反应器来处理。因此，若能开发一种允许 增加原料生产能力的化学活化方法，那将是有益的。

涉及在处理过程中避免起泡的现有技术包括用压实的原料丸粒替代颗粒或微粒 状的原料。这些丸粒是通过例如对原料混合物进行若干小时的真空干燥和/或向原料混合 物添加粘合剂来制得的。然后使这些丸粒活化并将其处理成固体、丸粒状。然而，额外的真 空干燥步骤和/或额外的粘合剂组分有增加活性炭生产的成本和/或时间的倾向。