[发明专利]一种制备全海藻固态超级电容器的方法及其产品

说明书

本发明属于超级电容器制备相关技术领域，并公开了一种制备全海藻固态超级电容器的方法，包括：将褐藻洗净干燥并剪成碎片备用；将褐藻碎片进行碳化和活化处理，获得褐藻活性碳；对褐藻进行提取制得海藻酸钠；将褐藻活性碳作为活性材料、将海藻酸钠作为粘结剂制备褐藻活性碳电极，同时将海藻酸钠制备成凝胶电解质和隔膜，由此组装为最终的全海藻固态超级电容器。通过本发明，可获得具备优良电化学特性、具有生物相容性、安全稳定和绿色环保的电化学储能器件。该全海藻固态超级电容器不但适用于超级电容器传统应用领域，尤其适用于可植入式医疗设备、电子皮肤、可穿戴电子设备等对人体安全性要求高的前沿应用领域。

技术领域

本发明属于超级电容器制备相关技术领域，更具体地，涉及一种制备全海藻固态超级电容器的方法。

背景技术

超级电容器作为一种新型储能装置，具有功率密度高、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。超级电容器一般由正、负电极，隔膜和电解质组成，电解质包括：水系电解液、有机电解液、离子液体电解液和固体电解质。商业超级电容器使用的电解质通常是液态电解质，并且为了获得更宽的电压窗口，一般会使用有机溶剂溶解离子化合物，这些溶剂大多易燃且有毒性。此外，液态电解质易发生泄漏，且酸性或碱性的水系电解质具有腐蚀性，严重影响超级电容器的安全性。与之相比，固体电解质则具有更好的安全性和可靠性。因此，使用绿色环保、低成本的固态电解质取代液态电解质，是超级电容器未来发展的必然趋势。

近年来随着环保意识的增强，提出了一些利用生物碳源作为原料合成活性碳的思路，例如木材、农作物秸秆、植物果壳等。2009年，首次报道了采用海藻作为原材料来制备多孔碳的方案，但这种直接碳化的海藻碳并不具备足够多的孔径，导致在大电流密度下的电荷传递受到较大的制约。此外，CN103086352A中公开了一种超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法，其中首先将活化处理后的海藻碳加入过渡金属盐溶液中，获得中间产物；然后将该中间产物过滤、改造及高温煅烧和酸洗处理，由此得到最终产物的石墨化多孔碳。然而，进一步的研究表明，一方面该方案必需进行多次高温煅烧工序，相应存在制备工艺复杂、质量难以控制和制备效率偏低的问题；另一方面，该方案仅仅针对采用石墨化多孔碳来制备电极材料的思路提出了初步探索，但并未对应如何构建相应的超级电容器体系给出进一步的研究和设计。相应地，本领域亟需寻找更为完善的解决方案，以便更好地满足利用生物碳源来更好地制备全固态超级电容器的工艺要求。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种制备全海藻固态超级电容器的方法，其中通过采用褐藻作为超级电容器多个核心的同一原材料，相应在构建全固态超级电容器组成体系的同时，还可获得具备优良电化学特性、安全稳定和绿色环保的储能器件；此外，本发明还对整个制备过程的工艺路线及其关键参数进行了进一步的针对性研究和设计，由此可获得超高比表面积和孔隙体积的褐藻活性碳，由其组装的器件具备能量密度高、循环稳定性好等优点，因而尤其适用于大批量规模化工业应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种制备全海藻固态超级电容器的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(i)对褐藻原材料的处理

将褐藻采用去离子水洗净和干燥处理，然后将其剪成碎片备用；

(ii)褐藻活性碳的制备

选取一部分褐藻碎片，将其放置于惰性气体作为保护气氛的管式炉中进行热解碳化处理；接着，以强碱作为活化剂，继续在所述管式炉中惰性气氛下进行活化处理，然后用酸和去离子水对所得到的活性碳产物进行洗涤、抽滤和干燥处理，由此获得比表面积为4400m²/g以上的褐藻活性碳材料；

(iii)海藻酸钠的制备