專利名稱：一種用于超級電容器的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及儲能材料與器件技術領域，介紹了一種用于超級電容器的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法。
背景技術：
超級電容器(supercapacitor)又稱電化學電容器，是一種新型儲能裝置，它具有比普通電容器更高的比能量和比電池更高的比功率。可廣泛應用于各種交通工具的啟動和核反應堆的控制、航天通信設施、無線通訊系統及許多軍用設施等的備用電源，其軍用、民用的前景十分看好。活性炭材料由于比表面積高、電化學穩定窗口寬、表面惰性等特點，一直是超級電容器的首選材料。
電極材料是決定超級電容器性能的關鍵因素之一，普通的高比表面積活性炭并不能直接用于超級電容器，這是由于在超級電容器中，只有孔隙尺寸大于溶劑分子和電解質離子的孔隙才會對比電容量有貢獻，也就是說，電解質離子只有在大于2nm的孔隙表面才能形成有效雙電層儲能。所以，為確保超級電容器獲得高能量密度，要求活性碳材料兼具高比表面積與較高的中孔結構(2～50nm)。
目前制備中孔碳的方法很多，通常有模版法、催化活化法、超臨界干燥法等等，但采用模版法制備中孔碳，必須要先制備硅或高分子模版，工藝冗長，工程化困難；而采用催化活化法，盡管工藝簡單，但金屬雜質離子不易脫除，在作為超級電容器電極材料時，容易在高電位循環時放電，增大超級電容器器件的漏電流。而采用超臨界干燥制備中孔碳凝膠技術，同樣由于超臨界干燥設備一次性投資大，設備維護困難，產能低，不宜用于超級電容器碳電極材料的規模化生產。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于超級電容器的中孔碳材料的制備方法。該方法利用氣體氧化劑，對普通活性碳的微孔進行二次擴孔，不依賴任何模板或催化劑，且制備方法簡便，產率較高。
本發明的工藝步驟為將普通高微孔含量的活性碳至于活化爐中，先通入N2，緩慢升溫至400-800℃，再通入氣相氧化劑，氣相氧化劑包括氧氣、空氣、氯氣中的至少一種。控制氣相氧化劑與N2的含量，當采用空氣或氧氣作為氧化劑時，純氧含量在5％-20％之間。氧含量太低時，擴孔效果不明顯，超過20％，活性炭會燃燒，當采用氯氣作為氧化劑時，氯氣含量在10％-30％之間，氯氣含量太高時，生成大孔，比表面積急劇降低，擴孔活化時間一般在5-100小時，采取多次短時間的擴孔效果比單次延長活化時間效果好。活化完全后，爐冷，取出活性炭材料，采用蒸餾水清洗至中性，烘干后備用。
利用本發明制備出的聚苯胺納米纖維材料做超級電容器電極，在1mol/L硫酸水溶液中具有比電容值高(大于300F/g)且循環性能好的優點。
圖1為所制備的高中孔含量活性炭材料的N2吸附等溫線圖；
圖2為所制備的高中孔含量活性炭材料的充放電曲線圖。
具體實施例方式
下面依據上述方案，結合實施例進一步詳述本發明的實質內容和技術特點，但本發明并非僅僅限于所述的實施例。
實施例1將100g普通水凈化用活性炭材料置于瓷坩堝中，緩慢通入N2并在600℃保溫2小時，再通入O2，控制PN2/PO2＝10∶1，保溫時間5小時，緩慢冷卻，取出活性炭后采用二次水洗滌，擴孔后活性炭的吸附等溫線如圖1所示。利用其制成電極在1mol/L硫酸水溶液中的充放電曲線如圖2所示。
實施例2將100g普通水凈化用活性炭材料置于瓷坩堝中，緩慢通入N2并在600℃保溫2小時，再通入Cl2，控制PN2/PCl2＝8∶1，保溫時間4小時，緩慢冷卻，取出活性炭后采用二次水洗滌。其性能結果如附表1所示。
實施例3其他條件與實施例1相同，不同之處在于PN2/PO2＝5∶1，其性能結果如附表1所示。
實施例4其他條件與實施例2相同，不同之處在于PN2/PCl2＝5∶1其性能結果如附表1所示。
實施例5其他條件與實施例1相同，不同之處在于保溫時間為1小時，且將該過程復5次。其性能結果如附表1所示。
表1不同處理條件下制備的活性炭性能
權利要求
1.一種用于超級電容器的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法。其特征在于制備方法為以普通活性炭為原料，置于管式爐中，先通入N2，緩慢升溫至400-800℃，再通入氣相氧化劑，控制N2與氣相氧化劑的比例在一定范圍內。保持一定的氧化時間，緩慢降溫，即可得高中孔含量的活性炭材料。
2.根據權利要求1所述的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法，其特征在于所應用的原料為已炭化后的活性炭材料。
3.根據權利要求2所述的已炭化的活性碳材料，其特征在于微孔含量在10％以下，比表面積在700m2/g以下。
4.根據權利要求1所述的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法，其特征在于所應用的氣相氧化劑為空氣、氧氣、或氯氣中的至少一種。
5.根據權利要求1所述的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法，其特征在于氣相氧化劑為空氣或氧氣時，氧化時爐體內氣氛控制表現為純氧含量在5％-20％之間。
6.根據權利要求1所述的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法，其特征在于氣相氧化劑為氯氣時，氧化時爐體內氣氛控制表現為氯氣含量在10％-30％之間。
7.根據權利要求1所述的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法，其特征在于氣相氧化時間范圍為5-100小時。
8.根據權利要求1所述的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法，其特征在于所制備的活性炭電極材料，比表面積在2000m2/g以上，中孔含量大于40％。
全文摘要
一種用于超級電容器的高中孔含量活性炭電極材料的制備方法。其特征在于以低成本的水凈化用活性炭為原料，以空氣、氧氣或氯氣為氣相氧化劑，通過控制氧化氣氛與活化溫度對活性炭進行二次擴孔。可得到高中孔含量的活性炭材料，該方法工藝簡單，便于大規模生產，用其制備超級電容器電極具有高能量密度、高功率密度的優點。
文檔編號H01M4/04GK101071685SQ200710074618
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月29日 優先權日2007年5月29日
發明者劉秦 申請人:王國華, 郭金川