[发明专利]用于超级电容器的多孔层状活性炭材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器的多孔层状活性炭电极材料及其制备方法，将预处理后的芦苇膜置于KOH溶液中进行水热反应，过滤后冷冻干燥，然后在氮气气氛中进行碳化，最后经清洗、干燥、研磨，得到用于超级电容器的多孔层状活性炭电极材料。本发明用KOH水溶液水热处理芦苇膜，使KOH顺利传质进入芦苇膜中并均匀分布在其片层间，碳化时，KOH既可作为内置模板防止片层堆积又可作为活化剂均匀拓孔，本发明制备工艺简单、环保、易操作，对降低活性炭的生产成本和保护环境具有重要意义。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种用于超级电容器的多孔层状活性炭电极材料及制备方法。

背景技术

高效的能源储存和转化技术是人类面临的挑战也是机遇。在所有先进的能源储存技术中，电化学储能设备，包括超级电容器和可充电电池是两种最有前景的储能设备。超级电容器，具有较高的功率密度、较长的循环寿命和较好的稳定性，使其在便携式电子设备、混合动力汽车和能源系统等领域具有潜在的应用前景，因此备受研究人员的关注。

多孔炭材料因具有较大的比表面积、较好的导电性及稳定性等优点而被应用于双电层电容器电极材料。但是，多孔炭材料堆积密度较小，导致体积电容性能一般，限制了它的应用。近年来，由于层状结构材料丰富的活性表面和开阔的层间通道使得电解液离子能够快速嵌入/扩散，同时，在充放电过程中层状结构能够缓解电极材料的体积效应，显著提高电极材料的充放电性能，因而受到强烈的关注。尽管层状材料有诸多优点，但是在实际应用中存在层堆叠、团聚等缺点，导致其活性面积减少、离子扩散路径延长等问题，从而影响其电容性能。因此，如何充分利用多孔结构和层状结构的优点，最大限度提高其储能性能，是目前研究的重点问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超级电容器的多孔层状活性炭电极材料及制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：用于超级电容器的多孔层状活性炭电极材料及其制备方法，将天然层状结构的芦苇膜置于KOH水溶液中进行水热反应，过滤后冷冻干燥，然后在氮气气氛中进行碳化，最后经清洗、干燥、研磨，得到用于超级电容器的多孔层状活性炭电极材料，具体步骤如下：

1）芦苇膜预处理：用去离子水清洗芦苇膜表面杂质，干燥后粉碎待用；

2）配置0.2～1.5 mol/L的氢氧化钾水溶液，将适量粉碎的芦苇膜加入到氢氧化钾水溶液中，搅拌浸没后移入水热反应釜中；

3）将反应釜放入烘箱中，在120～180℃下水热反应5～10 h，自然冷却到室温后过滤、冷冻干燥，得到混合物；

4）将混合物置入坩埚中，在氮气氛围下移入管式炉，以1～5℃/min的升温速率升温到500～800℃，恒温碳化2～4 h，得到碳化产物；

5）先用稀盐酸洗涤制得的碳化产物，再用去离子水洗至滤液为中性，干燥后研磨，得到超级电容器用多孔层状活性炭电极材料。

进一步地，1L氢氧化钾水溶液中放入15~20克粉碎后的芦苇膜。

进一步地，本发明所述的水热反应，是在0.2～1.5 mol/LKOH水溶液中，以120～180℃的目标温度水热反应5～10 h。经反复试验证明，若KOH浓度低于0.2 mol/L，后续活化造孔效果不佳；而高于1.5 mol/L时，芦苇膜层间表面负载KOH达到饱和，对后续活化效果没有明显提升。合适的目标温度和反应时间，有利于KOH均匀分布于芦苇膜层间，同时起到初步碳化前驱体的目的，从而获得性能更好的活性炭以及更高的产率。