專利名稱：一種用棉稈基活性炭材料制備超級電容器電極材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用棉桿基活性炭材料制備超級電容器電極材料的方法，屬于電化學領域。
背景技術：
化石能源的枯竭以及全球氣候變暖的問題使人們對可再生能源的開發(fā)利用日益重視，新型能源的開發(fā)和利用成為當今世界的一個重要課題。伴隨著信息化高科技時代的來臨，能源應用形態(tài)正在發(fā)生變化，可再生、無污染、小型分立的可移動高性能電源需求快速增長。目前市場上的鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池等其共同特點是具有較高的能量密度，但功率密度很低，充電時間長。因而難以滿足對功率密度要求很高的儲能裝置的應用領域 (如航天領域和現(xiàn)代化武器裝備等)，這些傳統(tǒng)的蓄電池根本不能滿足需求。因此人們期待著具有高能量密度、高功率密度、長壽命的新型綠色儲能器件的出現(xiàn)。超級電容器(supercapacitors)又稱電化學電容器(electrochemicalcapacitors, ECS),它是一種介于二次電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能元件。它具有功率密度高、循環(huán)壽命長、能瞬間大電流充放電、工作溫度范圍寬、安全、無污染等優(yōu)點，在電動汽車、不間斷電源、航空航天、軍事等諸多領域均有廣闊的應用前景。因此，超級電容器引起了國內外研究者的廣泛關注，成為當前化學電源領域的研究熱點之一。從電化學電容器的工作原理可以看出，作為超級電容器電極材料應該具有如下特點(1)比表面積大、孔隙結構發(fā)達，能吸附大量電解質；(2)化學穩(wěn)定性高，能夠在各種酸堿溶液中良好的工作；(3)在很寬的溫度范圍內性能穩(wěn)定；(4)易加工成各種形狀的電極；價格低廉、來源豐富；(6)不含有重金屬，對環(huán)境無污染。碳是最早被用來制造超級電容器的電極材料，現(xiàn)在已有許多不同類型的炭材料被證明可用于制備超級電容器，如活性炭、碳纖維、碳氣凝膠、碳納米管等。在這些炭材料中，活性炭以其比表面積大、孔容量高、材料來源廣泛、價格相對低廉等特點，成為目前商業(yè)化超級電容器首選電極材料。目前，棉花是紡織工業(yè)的主要原料，又是中國重要的經濟作物之一，在種植業(yè)中起著舉足輕重的作用。隨著中國農業(yè)的發(fā)展，棉花產量大幅上升，目前中國在世界上四大產棉國中位居第二。與此同時，棉花種植業(yè)還得到大量的副產物-棉桿。如能將這些棉桿充分利用，其經濟效益和社會效益十分巨大。目前尚無將棉桿經適當?shù)姆椒ㄌ幚矶迫〕夒娙萜饔没钚蕴坎牧系膱蟮馈?br>
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種用棉桿基活性炭材料制備超級電容器電極材料的方法，該方法以棉桿為原料，將棉桿經去皮粉碎后與活化劑混合浸潰，然后進行活化處理、洗滌、烘干等工藝后，得到超級電容器用活性炭電極材料。本發(fā)明制備的超級電容器用活性炭電極材料具有較高的比表面積和較好的電容特性。組裝成的模擬紐扣式超級電容器具有較高的比電容、較小的等效串聯(lián)電阻以及較高的充放電效率等。本發(fā)明對增加棉桿的經濟附加值、實現(xiàn)棉桿的可持續(xù)發(fā)展，以及提高超級電容器性能、降低電極材料生產成本具有重要意義。本發(fā)明所述的一種用棉桿基活性炭材料制備超級電容器電極材料的方法，按下列步驟進行a、將棉桿去皮、粉碎、過 篩80-140目得到顆粒；b、將粉碎的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干；C、將烘干后的棉桿顆粒與活化劑按質量比I : 2-5混合浸潰5_12h ;d、將浸潰后的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干，得到混合物；e、在惰性氣體保護或真空條件下，將步驟d得到的混合物以溫度2_5°C /min的升溫速率升至溫度500-900°C，恒溫2-5h進行活化，活化的反應溫度為500-900°C，活化反應時間為2-5h，得到活性炭材料；f、將步驟e中得到的活性炭材料隨爐降溫至室溫，經洗滌至中性，然后于溫度100°C下進行干燥處理，即可得到超級電容器電極材料。步驟c中所述的活化劑為KOH、H3PO4, CaCl2, NaOH, ZnCl2，其中烘干后的棉桿顆粒與活化劑H3PO4的固液比為I : 4，浸潰12小時。所述步驟e中所述的保護氣體為氬氣，氮氣或氬氣與氫氣的混合氣體，其中混合氣體中氫氣體積含量為40-60%。步驟e中所述的真空條件的真空度為133. 322 X 10_3_133. 322 X 10_5Pa。本發(fā)明所述的一種用棉桿基活性炭材料制備超級電容器電極材料的方法，通過該方法獲得的超級電容器電極材料，經采用全自動物理吸附儀A SAP 20 20 (美國Micromeritics公司產)，以BET方法計算比表面積,采用SEM進行形貌分析,結果表明制備的超級電容器電極材料擁有較高的比表面積和較好的電容特性。將制備的活性炭研磨至75-96 iim左右，采用涂抹法制備電極，以鋁箔為集流體，聚丙烯(MPF35)為隔膜，以lmol/LEt4NBF4為電解液，組裝成的模擬鈕扣式超級電容器具有較好的電化學特性，即具有較高的比電容、較小的等效串聯(lián)電阻和良好的充放電效率，可見棉桿基活性炭可以作為制備超級電容器的電極材料。


圖I為本發(fā)明的恒流充放電圖。圖2為本發(fā)明的循環(huán)伏安圖。圖3為本發(fā)明的交流阻抗圖。圖4為本發(fā)明的比容量圖。
具體實施例方式實施例I :a、將棉桿去皮、粉碎、過篩80目得到顆粒；b、將粉碎的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干；C、將烘干后的棉桿顆粒與活化劑H3PO4按質量比I : 4混合浸潰12h ；
d、將浸潰后的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干，得到混合物；e、在惰性氣體氬氣保護條件下，將步驟d得到的混合物以溫度2V /min的升溫速率升至溫度700°C，恒溫2h進行活化。活化的反應溫度為700°C，活化反應時間為2h，得到活性炭材料；f、將步驟e中得到的活性炭材料隨爐降溫至室溫后取出，經洗滌至中性，然后于溫度100°C下進行干燥處理，即可得到超級電容器電極材料。實施例2
a、將棉桿去皮、粉碎、過篩100目得到顆粒；b、將粉碎的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干；C、將烘干后的棉桿顆粒與活化劑CaCl2按質量比I : 3混合浸潰5h ;d、將浸潰后的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干，得到混合物；e、在惰性氣體氮氣保護下，將步驟d得到的混合物以溫度5°C /min的升溫速率升至溫度900°C，恒溫3h進行活化，活化的反應溫度為900°C，活化反應時間為3h，得到活性炭材料；f、將步驟e中得到的活性炭材料隨爐降溫至室溫后取出，經洗滌至中性，然后于溫度100°C下進行干燥處理，即可得到超級電容器電極材料。實施例3a、將棉桿去皮、粉碎、過篩120目得到顆粒；b、將粉碎的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干；C、將烘干后的棉桿顆粒與活化劑NaOH按質量比I : 2混合浸潰7h ;d、將浸潰后的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干，得到混合物；e、在真空條件的真空度為133. 322 X 10_3_133. 322X 10_5Pa條件下，將步驟d得到的混合物以溫度3°C /min的升溫速率升至溫度600°C，恒溫2. 5h進行活化，活化的反應溫度為600°C，活化反應時間為2. 5h，得到活性炭材料；f、將步驟e中得到的活性炭材料隨爐降溫至室溫后取出，經洗滌至中性，然后于溫度100°C下進行干燥處理，即可得到超級電容器電極材料。實施例4a、將棉桿去皮、粉碎、過篩80目得到顆粒；b、將粉碎的棉桿顆粒在溫度100°C條件下烘干；C、將烘干后的棉桿顆粒與活化劑CaCl2按質量比I : 5浸潰IOh ;d、將浸潰后的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干得到混合物；e、將得到混合物放入有惰性氣體氬氣與氫氣的混合氣體(氫氣體積含量為50% )保護的氣氛爐里以溫度3°C /min的升溫速率升至溫度800°C，恒溫2h進行活化，活化的反應溫度為800°C，活化反應時間為2h，得到活性炭材料；f、將步驟e中得到的活性炭材料隨爐降溫至室溫后取出，經抽濾洗滌至中性，最后在溫度100°C下進行干燥處理，即可得到超級電容器電極材料。實施例5a、將棉桿去皮、粉碎、過篩140目得到顆粒；b、將粉碎的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干；
C、將烘干后的棉桿顆粒與活化劑KOH按質量比I : 3混合浸潰12h;d、將浸潰后的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干，得到混合物；e、將混合物放入有惰性氣體氬氣與氫氣的混合氣體(氫氣體積含量為40% )保護的氣氛爐里，以溫度5°C /min的升溫速率升至溫度800°C，恒溫I. 5h進行活化，活化的反應溫度為800°C，活化反應時間為I. 5h，得到活性炭材料；
f、將步驟e中得到的活性炭材料隨爐降溫至室溫后取出，經洗滌至中性，然后于溫度100°C下進行干燥處理，即可得到超級電容器電極材料。實施例6a、將棉桿去皮、粉碎、過篩140目得到顆粒；b、將粉碎的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干；C、將烘干后的棉桿顆粒與活化劑ZnCl2按質量比I : 2混合浸潰Ilh;d、將浸潰后的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干，得到混合物；e、將混合物在真空條件的真空度為133. 322X 10^-133. 322X 10_5Pa條件下，以溫度4°C /min的升溫速率升至溫度550°C，恒溫2h進行活化，活化的反應溫度為550°C，活化反應時間為2h，得到活性炭電極材料；f、將步驟e中得到的活性炭材料隨爐降溫至室溫后取出，經洗滌至中性，然后于溫度100°C下進行干燥處理，即可得到超級電容器電極材料。實施例7a、將棉桿去皮、粉碎、過篩80目得到顆粒；b、將粉碎的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干；C、將烘干后的棉桿顆粒與活化劑H3PO4按質量比I : 4混合浸潰12h ；d、將浸潰后的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干，得到混合物；e、將混合物放入有惰性氣體氬氣與氫氣的混合氣體(氫氣體積含量為60% )保護的氣氛爐里，以溫度5°C /min的升溫速率升至溫度750°C，恒溫2h進行活化，活化的反應溫度為750°C，活化反應時間為2h，得到活性炭材料；f、將步驟e中得到的活性炭材料隨爐降溫至室溫，經洗滌至中性，然后于溫度100°C下進行干燥處理，即可得到超級電容器電極材料。實施例8將實施例1-7任意制備好的超級電容器電極材料進行研磨至75-96 U m，然后將其和粘結劑乳液按照8 2的比例稱取，加入0.1ml去離子水進行混合，將混合物均勻涂覆在集流體鋁箔，將此電極片在IOMPa的壓力下壓制成片待自然晾干后，用(On2mmX12mm)銃子裁片，然后將其放入真空烘箱中，在溫度120°C的溫度下干燥8h，取出后稱取其質量，其中活性物質的質量可通過電極片質量減去鋁箔的質量后得到；將質量相近(精確到0. Img)的電極片組裝成模擬紐扣式超級電容器以進行電化學性能的測試。
權利要求
1.一種用棉桿基活性炭材料制備超級電容器電極材料的方法，其特征在于按下列步驟進行 a、將棉桿去皮、粉碎、過篩80-140目得到顆粒； b、將粉碎的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干； C、將烘干后的棉桿顆粒與活化劑按質量比I : 2-5混合浸潰5-12h ; d、將浸潰后的棉桿顆粒于溫度80°C條件下烘干，得到混合物； e、在惰性氣體保護或真空條件下，將步驟d得到的混合物以溫度2-5°C/min的升溫速率升至溫度500-900°C，恒溫2-5h進行活化，活化的反應溫度為500-900°C，活化反應時間 為2-5h，得到活性炭材料； f、將步驟e中得到的活性炭材料隨爐降溫至室溫，經洗滌至中性，然后于溫度100°C下進行干燥處理，即可得到超級電容器電極材料。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于步驟c中所述的活化劑為KOH、H3PO4、CaCl2、NaOH、ZnCl2，其中烘干后的棉桿顆粒與活化劑H3PO4的固液比為I : 4，浸潰12小時。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟e中所述的保護氣體護氣體為氬氣、氮氣或氬氣與氫氣的混合氣體，其中混合氣體中氫氣體積含量為40-60%。
4.根據(jù)權利要求3中所述的方法，其特征在于步驟e中所述的真空條件的真空度為.133. 322X 1(T3-133. 322 X IO^5Pa0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用棉稈基活性炭材料制備超級電容器電極材料的方法，該方法首先將原材料棉桿經去皮粉碎后與活化劑混合浸漬，然后經活化處理、洗滌、烘干等工藝后，得到超級電容器所需的活性炭電極材料。通過本發(fā)明所述方法獲得的超級電容器電極材料具有較高的比表面積和較好的電容特性。組裝成的模擬紐扣式超級電容器具有較高的比電容、較小的等效串聯(lián)電阻以及較高的充放電效率等。本發(fā)明對增加棉稈的經濟附加值、實現(xiàn)棉稈的可持續(xù)發(fā)展，以及提高超級電容器性能、降低生產成本具有重要意義。
文檔編號C01B31/12GK102730683SQ201210254860
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權日2012年7月23日
發(fā)明者劉志強, 吐爾迪·吾買爾, 康雪雅, 徐國慶, 竇俊青, 陳銘德, 韓英 申請人:中國科學院新疆理化技術研究所