[发明专利]一种具有高体积比电容的生物质炭块体电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有高体积比电容的生物质炭块体电极及其制备方法，所述生物质炭块体电极是采用生物质为原材料制备而得的超级电容器用电极，具有三维大孔分级孔结构，所述三维大孔分级孔结构包括定向孔道短轴尺寸为1.5～4.1μm的第一大孔、所述第一大孔的孔道壁上直径为350～1200nm的连通性第二大孔和直径为100±20nm的凹坑状孔、微孔和介孔。

技术领域

本发明涉及一种生物质炭电极及其制备方法，具体涉及一种以林业固废生物质为原料制备超级电容器电极及其制备方法，属于生物质电容器电极材料制备技术领域。

背景技术

现代社会面临能源短缺和环境污染两大挑战。利用生物质废弃物制备环境友好型、价格合理的电子元器件是响应可持续发展战略的一种有效策略。

目前生物质炭电极主要有两种形式：传统的粉末状电极和新兴的块状电极。相对于粉末状电极，超厚块状电极虽然比表面积有所下降，但导电率和总的储电能力提高。传统的粉末状电极在制备过程中要加入粘结剂和导电剂以促进成型和提高导电率，但添加剂会阻塞电极的孔道结构，使其电极厚度最多只有几百微米。而块状电极能完整地遗传生物质的相互连通的、具有定向大孔的且包含分级孔的显微结构，能够促使电解液充分渗入到电极内部，所以在不影响其能量密度的前提下其厚度可以达到毫米级，提高了电极总的储电能力。

但是，原始的生物质炭大孔通道直径在几十至几百微米之间，除了充当电解液渗入的通道，大部分是作为闲置的电解液的储存场所，致使分级孔的有效利用率大大降低。因此目前制备的超厚生物质炭电极材料面临严重的体积比电容过低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：

提供一种可实现高体积能量密度的超厚生物质炭块体电极及其制备方法。

第一方面，本发明一形态的生物质炭块体电极，所述生物质炭块体电极是采用生物质为原材料制备而得的超级电容器用电极，具有三维大孔分级孔结构，所述三维大孔分级孔结构包括定向孔道短轴尺寸为1.5～4.1μm的第一大孔、所述第一大孔的孔道壁上直径为350～1200nm的连通性第二大孔和直径为100nm±20nm的凹坑状孔、以及微孔和介孔。本发明的生物质炭块体电极具有结构整体性、高强度、超高比体积电容和超厚的电极尺寸。

较佳地，所述生物质炭块体电极的双轴弯曲强度为3～6MPa。

较佳地，所述生物质炭块体电极的厚度为1±0.2mm。其它尺寸可根据实际需要设置。

较佳地，所述生物质炭块体电极的体积比电容为89～118F/cm³。

第二方面，本发明一形态的生物质炭块体电极材料的制备方法，包括：将具有分级孔结构的生物质原料进行冷等静压处理，得到生物质压片，其中所述生物质原料的分级孔结构包括定向孔道(近圆形定向孔道)直径为25±5μm的第三大孔、所述第三大孔的孔道壁上直径为1～3.5μm的连通性第四大孔；将所述生物质压片在真空环境下或惰性气氛下热解，得到生物质炭块体电极材料。

较佳地，所述生物质原料为林业废弃物。进一步优选为木芙蓉茎秆、杨木、松木、槐木中的一种。

较佳地，所述冷等静压的压力值为25～200MPa，保压时间为10～30min。

较佳地，将所述生物质压片在真空环境下热解包括：将所述生物质压片置于真空烧结炉中，抽真空至炉内压力小于100Pa，于600～1000℃保温1～5小时，随炉自然冷却至室温。

进一步较佳地，以2～10℃/分钟的速率升温至600～1000℃。

第三方面，本发明一形态的一种生物质炭块体电极的制备方法，通过将由上述生物质炭块体电极材料的制备方法制备得到的生物质炭块体电极材料加工至规定尺寸，清洗，得到生物质炭块体电极。