[发明专利]一种超级电容用高导电性椰壳活性炭的两次激活工业化制备方法

说明书

本发明公开了一种超级电容用高导电性椰壳活性炭的两次激活工业化制备方法。该方法以椰壳炭化料为原料，并通过物理活化造孔方法获得多孔活性炭后，经过CO₂气氛中多次反应制备一次去表面官能团后的高导电性活性炭半成品；然后将需要经过酸洗去杂的半成品进行酸洗后再次在还原或保护气氛下去官能团处理，最终制备出超级电容用高导电性活性炭。本发明制备的活性炭粉末在100MPa压力下制片电阻率仅0.17～0.28Ω·cm，以此制备的双电极超级电容器内阻为0.15～0.25Ω，满足高性能超级电容器电极材料使用。本发明的方法新颖简单，可用于工业化连续大规模生产，成本低廉。相较于目前市售高性能超级电容器电极材料用活性炭同类产品，本技术产品性能关键指标处于国内、国际先进水平。

技术领域

本发明属于活性炭材料制备领域，特别涉及制备超级电容器电极材料活性炭，更具体地说，涉及一种超级电容器高导电性椰壳活性炭的两次激活工业化制备方法。

背景技术

超级电容器(supercapacitors，SCs)，又叫双电层电容器、电化学电容器，是一种新型储能装置。超级电容器相比传统充电电池具有优良的充放电性能和大容量储能性能。功率密度大，短时间内可放出几百到几千安培的电流；充电速度快，几十秒内到数分钟内可完成充电，此外超级电容器的寿命更长、适用于多种环境，因此超级电容器得到更为广泛的应用与研究，在节能环保日益成为主题的今天，它的应用越来越引起世界各国的重视。超级电容器作为高效储能器件，广泛应用于国防军工、轨道交通、城市公交、起重机械势能回收、发电与智能电网、消费电子等重要领域和环节。

作为超级电容器关键电极材料使用的活性炭，要求非常高，其中最重要的指标之一就是具有高导电性，活性炭的导电性能对超级电容器的功率性能、储能特性与充放电性能有着重要影响。当电极材料电导率低时，会在一定程度上影响电流密度和内电压，从而影响比电容，特别对大电流放电时，由于电能大幅消耗在内阻上，从而使比电容下降尤其明显。同时，超级电容器的基本失效形式是电容内阻的增加与电容容量的降低，当内阻较大时，大幅消耗在内阻上的电势能或化学势能转化为热能，导致电容内部发热，使电容寿命缩短。故为了提高超级电容器的循环寿命，必须减小其内阻，以有效缓解超级电容器的失效。总之，电极的导电性越好，内阻越小，电极的应用特性就越好。而目前，市售高性能产品YP-80活性炭在80MPa压力下制片电阻率达到0.415Ω·cm，相对较高，对超级电容器的使用性能造成了很大的影响。所以，提高超级电容器电极材料使用的活性炭导电性是提高超级电容器电化学性能的关键。

由于石墨的导电性要比一般碳的导电性好得多，因而如果能够更好地形成具有典型石墨型特性的活性炭，则有望提高活性炭的电导率，从而提高活性炭作为超级电容器电极材料使用时的应用特性。考虑目前利用绿色环保的物理活化方法制备高性能活性炭，其利用水蒸气活化造孔生产，在此过程中由于长时间处于高温及水蒸气和氧气气氛环境下，所以形成的石墨活性炭微孔表层可能同时键合有大量的氧或羧基团，使石墨结构中特别是在活性炭微孔表面形成较稳定的饱和键，从而降低活性炭的导电性。因此，进一步改善活性炭的微孔表面特性，提高活性炭的电导率将是制备高性能超级电容器用活性炭的关键。因而，如果考虑在普通物理活化法造孔过程结束的同时，利用CO₂可与碳发生的如下反应：

C+CO₂→2CO △H＝171.2kJ/mol (1)

可使活性炭与CO₂发生还原反应，或进一步说，CO₂能通过与活性炭微孔表层同时键合着的大量氧或OH或羧基团等发生反应，大大减少石墨结构中特别在微孔表面所形成的较稳定饱和键，重新激活正常的工业化连续生产工艺下石墨型活性炭被饱和钝化的表面性质，从而大大降低这种活性炭的电阻率，提高活性炭的电导率。