[发明专利]一种纤维素基活性碳纤维纸及其制备方法与应用

说明书

本发明属电极材料领域，公开了一种纤维素基活性碳纤维纸及其制备方法与应用。包括以下步骤：(1)将纸浆纤维与碳纤维混合抄纸，将纸浸渍到磷酸溶液中；(2)将浸渍后的纸在惰性气体保护下升温保温，进行炭化活化，继续升温至一定温度后，通入CO₂或者水蒸气进行二次活化，保温、降温后将其取出；(3)用水洗涤至中性，烘干，得到纤维素基活性碳纤维纸。本发明制备的活性碳纤维纸可弯曲，具有良好的机械性能，且在电解液中不掉粉，可以作为超级电容器自支撑电极材料；与商品碳纸或者碳布相比，具有高比表面积，可达1435m²/g，且制备工艺简单、成本低；与静电纺丝制备的活性碳纤维纸相比具有良好的强度及可规模化应用的优势。

技术领域

本发明属电极材料领域，公开了一种纤维素基活性碳纤维纸及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，开发高效的能源转换和储能装置是实现可再生能源发展的重要途径。超级电容器作为一种绿色新型储能器件具有高的功率密度、充放电速率快及循环寿命长等特点。其中，超级电容器电极材料的结构和性质是影响其性能的关键因素，目前商业用超级电容器电极材料主要是活性炭，通过与导电剂、粘结剂的混浆、匀浆涂覆到集流体上从而来制备超级电容器的电极。该过程制备工艺繁琐，且非活性材料质量可达整个电极质量的20％，可能还会出现电极活性物质脱落，粘结剂阻塞活性炭孔道，影响电荷传输等问题。

人们目前研究的自支撑电极可以很好的避免上述问题，无需使用粘结剂、甚至是集流体，例如：自支撑的石墨烯膜(CN108530073B)，对商业碳布基底进行氧化或负载处理得到的自支撑电极(CN109727780 B、CN111129515B)，静电纺丝制备的纳米纤维薄膜(CN107394118A)，但这类材料大多依赖昂贵的基材、活性材料，或者存在制备方法复杂而且效率低的缺陷，很难进行放大生产。

当前市面上的活性碳纤维与活性炭相比有以下优势：孔隙存在于纤维表面，扩散路程短，吸脱附速率快；可加工成纸、布、毡等形状。但这种方法制备的活性碳纤维成本高，通常是通过将聚丙烯腈(PAN)或酚醛树脂或沥青作为原料纺丝成纤维，然后经一定程序炭化活化后得到，且纺丝原料来源于石油化工产品，不可避免的会加剧石油资源的消耗。

发明内容

针对上述问题和现有技术的不足，本发明公开了一种纤维素基活性碳纤维纸及其制备方法与应用。本发明利用来源丰富，廉价、可持续的纸浆纤维作为制备活性碳纤维的前驱体，提出一种低成本、工艺简单、高效的方法来制备一种纤维素基活性碳纤维纸。

本发明通过以下技术方案实现：

一种纤维素基活性碳纤维纸的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纸浆纤维与碳纤维混合抄纸，将纸浸渍到磷酸溶液中5-48h，得到浸渍后的纸；

(2)将浸渍后的纸在惰性气体保护下升温至300℃～650℃，保温10min～180min，进行炭化活化，继续升温至660℃～1000℃后，通入CO₂或者水蒸气进行二次活化，保温10min～120min，降温后将其取出；

(3)用水洗涤步骤(2)降温后的纸至中性，烘干，得到纤维素基活性碳纤维纸。

优选地，步骤(1)中所述碳纤维质量占纸浆纤维与碳纤维总质量的10％～30％。

优选地，所述纸浆纤维为棉纤维、麻纤维、竹纤维、木材纤维的一种或两种以上，打浆度为10°SR～95°SR。

优选地，步骤(1)中所述磷酸与纸浸渍比为0.1:1～5:1，磷酸溶液浓度为5％～40％。

优选地，步骤(1)所述磷酸与纸浸渍比为0.5:1～2:1，磷酸溶液浓度为10％～20％。

优选地，步骤(1)所述磷酸浸渍时间为10～24h。