[发明专利]用于超级电容器电极材料的煤基活性炭及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于超级电容器电极材料的煤基活性炭及其制备方法，属于超级电容器电极材料领域。

背景技术

伴随着社会经济的快速发展及人口的急剧增长，资源和能源的日渐短缺以及生态环境的日益恶化成为了当今函待解决的问题。煤炭作为不可再生资源，已经由浅层开采转向深部开采，开采的难度和危险性加大。随着能源结构的调整，可再生能源所占的比例逐渐变大。因此，各种可再生的新能源技术的开发和利用受到了广泛地关注，如风能、太阳能、潮汐能等。不管是汽车行业的发展还是二次能源的利用，寻找合适的储能装置是其中较为重要的环节。基于化学反应的电池使用寿命短及受温度影响较大的缺点，具有可快速充放、电压范围宽、高功率等特性的超级电容器被广泛应用于电力系统、计算机等。

超级电容器又叫电化学电容器，具有充放电速率快、循环寿命长、功率密度高、环保、免维护等优点，受到了人们的广泛关注。超级电容器作为功率补偿和能量存储装置，其储存电量的多少表现为电容的大小。根据电能的储存与转化机理，超级电容器分为双电层电容和法拉第电容器，其中双电层电容器是利用双电层来存储能量的一种新型电子元件，电子或离子在电极/溶液界面的定向排列造成电荷的对峙，从而产生了双电层电容。相比于双电层电容，法拉第电容器是电活性物质在电极表面或体相中的二维或准二维空间上进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，产生与电极充电电位有关的电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，同时还包括电解液中的离子在电极活性物质中发生氧化还原反应而将电荷储存于电极中。所以，法拉第电容值要明显大于双电层电容的，法拉第电容也被称为膺电容。

目前，能提供法拉第电容的活性物质主要由金属氧化物/氢氧化物、导电聚合物和表面杂原子官能团组成。表面杂原子官能团是指通过在材料的表面修饰含氧、含氮或含硫等官能团，在一定的电位下发生氧化还原反应而直接影响双电层电容的大小。T.J.Bandosz课题组(D.Hulicova-Jurcakova,M.Seredych,G.Q.Lu,T.J.Bandosz,Adv.Funct.Mater.,2009,19(3):438-447)将椰壳活性炭硝酸预处理后分别进行三聚氰胺和尿素改性引入含氧和含氮的官能团以提高活性炭的电容性能。结果显示，含氧和含氮的官能团的引入显著提高了活性炭作为超级电容器电极材料的电化学性能。因此，在材料的表面引入杂原子官能团是改善电容性能的一种较好的手段。

由于碳材料具有较高的比表面积、优异的导电能力、独特的化学稳定性、良好的成型性，同时价格相对低廉、原料来源丰富、生产工艺也比较成熟，至今仍是超级电容器应用最广泛的电极材料。研究发现，碳材料的比表面积、孔径分布和表面性质等对超级电容器的性能有着重要的影响。此外，材料的安全方便合成和成本也是研究中所要考虑的因素。N.Q.Wu等人(M.J.Zhi,F.Yang,F.K.Meng,M.Q.Li,A.Manivannan,N.Q.Wu,ACS Sustain.Chem.Eng.,2014,2:1592-1598)以废旧轮胎为碳源制备活性炭并用于超级电容器电极材料，结果表明，不同磷酸活化条件取得的活性炭的比电容最大值为106.4F/g，对应的制备条件为900℃活化3.5小时。该文献制备活性炭需要的活化温度和时间较长，并且制备的活性炭比电容也较低。

由于煤炭的来源丰富、具有良好的成型性及价格相对低廉，同时由煤炭通过氢氧化钾活化制备煤基活性炭的生产工艺也比较成熟，因此选用煤炭作为基础材料具有很大的优势。钾盐是优异的造孔剂，选取硫化钾作为造孔剂，不仅能有效增加碳材料的比表面积，同时可以在所活化的材料中引入硫原子。杂原子的引入能有效增加材料作为超级电容器电极材料的电容性能。T.Wajima等人(T.Wajima,K.Sugawara,Fuel Process.Technol.,2011,92(7):1322-1327)通过硫化钾活化煤样以制备煤基活性炭用于溶液中汞的脱除。该文献制备的煤基活性炭的比表面积均小于50m²/g，此外，硫化钾与煤样的质量配比为3.6:1.0，制备过程中使用了过多的硫化钾。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种用于超级电容器电极材料的煤基活性炭的制备方法。

本发明所述煤基活性炭的制备方法，以原煤为基础材料，以硫化钾为活化剂制备而成，其中硫化钾与原煤的质量比为0.9:1。

进一步的，本发明所述煤基活性炭的制备方法，包括以下步骤：