一種以榆錢為原料制備超級(jí)電容器用活性炭材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超級(jí)電容器用活性炭材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]能源和生態(tài)環(huán)境是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著全球工業(yè)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球人口的快速增長，加速了資源和能源日漸枯竭以及生態(tài)環(huán)境日益惡化，因此尋求一種清潔高效地利用能源的儲(chǔ)能裝置、開發(fā)利用新型可在生能源已經(jīng)成為當(dāng)今世界須解決的重大課題之一。超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能裝置，是一種介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間具有快速充放電的新型功率型能源存儲(chǔ)設(shè)備。由于其具有較高的能量密度和功率密度、較寬的工作溫度范圍以及優(yōu)異的循環(huán)性能等特點(diǎn)在航空航天、國防數(shù)字通信設(shè)備、電源供應(yīng)、存儲(chǔ)備份系統(tǒng)以及先進(jìn)的汽車如混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車等方面都有很廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]炭電極材料作為超級(jí)電容器用的電極材料，是研究最早技術(shù)最成熟的電極材料，其儲(chǔ)能機(jī)制是通過形成雙電層電容來實(shí)現(xiàn)電荷的高效儲(chǔ)存。炭材料具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)、高比表面積、高孔體積、低成本性和良好的導(dǎo)電性等特點(diǎn)，因此，超級(jí)電容器用炭基電極材料引起了研究者廣泛的關(guān)注。目前，用于超級(jí)電容器的炭材料主要有洋蔥狀炭、炭納米管、石墨烯、活性炭、炭化物骨架炭、模板炭等。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(jià)格相對(duì)低廉等特點(diǎn)，成為目前商業(yè)化超級(jí)電容器首選電極材料。
[0004]炭材料的微觀結(jié)構(gòu)和電容性能之間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。例如，大量微孔的存在不利于比表面積利用率和電容器倍率性能的提高，而要形成發(fā)達(dá)的中孔結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)犧牲一定的比表面積。因此如何協(xié)調(diào)孔結(jié)構(gòu)和比表面積之間的矛盾，成為超級(jí)電容器電極材料研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)的炭材料的多級(jí)微/介孔孔道結(jié)構(gòu)分布不合理導(dǎo)致的超級(jí)電容器倍率性能差的問題。
[0006]—種以榆錢為原料制備超級(jí)電容器用活性炭材料的方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一:將榆錢烘干；
[0008]步驟二:將干燥的榆錢浸泡在活化劑水溶液中；
[0009]步驟三:將浸漬后的榆錢烘干；
[0010]步驟四:將步驟三中得到的烘干后的榆錢置于惰性氣體中以600°C -1500°c進(jìn)行炭化活化，得到初步的活性炭材料；
[0011]步驟五:將步驟四中得到的活性炭材料冷卻至室溫后，浸泡在稀酸中，采取超聲分散至均勻分布，然后進(jìn)行攪拌操作，攪拌后進(jìn)行抽濾，水洗至洗出液為中性，然后進(jìn)行干燥處理，得到用于制造超級(jí)電容器用的活性炭材料。
[0012]從場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)圖片可以看出采用本發(fā)明方法制備得到的材料具有多孔結(jié)構(gòu)。將該活性炭材料研磨成粉末，按活性炭:乙炔黑:聚四氟乙烯乳液的質(zhì)量比8 0: 15:5的比例，加入少量的無水乙醇混合均勻，均勻涂抹在壓制好的泡沫鎳電極上，在100°C下干燥24小時(shí)，以Hg/HgO電極作為參比電極，以鉑電極作為對(duì)電極組成三電極體系，在6mol/L的KOH電解質(zhì)水溶液中進(jìn)行電化學(xué)性能測試。充放電曲線呈現(xiàn)出典型的三角對(duì)稱分布且都隨時(shí)間線性變化，說明其充放電過程中電容器的電壓隨時(shí)間線性變化，具有良好的電容特性。所有的循環(huán)伏安曲線呈現(xiàn)出較為規(guī)則的矩形，不存在氧化還原峰，說明其容量主要來自活性炭電極和電解液界面的雙電層電容。從循環(huán)伏安曲線和充放電曲線可以看出，采用本發(fā)明方法制備的活性炭材料可以作為超級(jí)電容器電極材料。
[0013]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0014](I)本發(fā)明的原料豐富且廉價(jià)易得，有利于工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)；
[0015](2)本發(fā)明制備的超級(jí)電容器用活性炭材料具有豐富的多級(jí)微/介孔道結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)合理，并且具有高比表面積、高孔容以及優(yōu)良的電化學(xué)電容性能等優(yōu)點(diǎn)，由其所制備的活性炭用于超級(jí)電容器表現(xiàn)出良好的倍率特性。
【附圖說明】
[0016]圖1為實(shí)施例1中所制備的活性炭材料的場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)圖片；
[0017]圖2為實(shí)施例1中所制備活性炭材料的X射線衍射花樣(XRD);
[0018]圖3為實(shí)施例1、2和4中所制備的活性炭材料作為電極材料組裝成三電極體系在6mol/L的KOH溶液中的恒流充放電曲線圖；
[0019]圖4為實(shí)施例1、2和4中所制備的活性炭材料作為電極材料組裝成三電極體系在6mol/L的KOH溶液中的循環(huán)伏安曲線圖；
[0020]圖5為實(shí)施例1、2和4中所制備的活性炭材料不同電流密度下質(zhì)量比電容曲線圖；
[0021]圖6為實(shí)施例3中所制備的活性炭材料的場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0022]【具體實(shí)施方式】一:一種以榆錢為原料制備超級(jí)電容器用活性炭材料的方法，包括以下步驟:
[0023]步驟一:將榆錢烘干；
[0024]步驟二:將干燥的榆錢浸泡在活化劑水溶液中；
[0025]步驟三:將浸漬后的榆錢烘干；
[0026]步驟四:將步驟三中得到的烘干后的榆錢置于惰性氣體中以600°C -1500°C進(jìn)行炭化活化，得到初步的活性炭材料；
[0027]步驟五:將步驟四中得到的活性炭材料冷卻至室溫后，浸泡在稀酸中，采取超聲分散至均勻分布，然后進(jìn)行攪拌操作，攪拌后進(jìn)行抽濾，水洗至洗出液為中性，然后進(jìn)行干燥處理，得到用于制造超級(jí)電容器用的活性炭材料。
[0028]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式步驟一所述的榆錢能夠用含有榆錢或者榆錢處理后的產(chǎn)品替代。
[0029]其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式步驟一所述烘干的溫度為95_150°C ;步驟三所述烘干的溫度為95-150°C ;步驟五所述進(jìn)行干燥處理的溫度為95-150°C。
[0031 ] 其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式步驟四中所述的以600°C -1500°C進(jìn)行炭化活化的過程中溫升速度不超過10°C /min ;炭化活化時(shí)間為2-4小時(shí)。
[0033]其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0034]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式步驟五所述稀酸為稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸或稀磷酸的一種，或者上述兩種以上稀酸任意比例混合的混合溶液；
[0035]步驟五所述攪拌操作的時(shí)間大于等于6小時(shí)。
[0036]其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0037]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式步驟二所述將干燥的榆錢浸泡在活化劑水溶液中的浸泡時(shí)間大于等于6小時(shí)。
[0038]其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0039]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式步驟二所述活化劑為堿性活化劑、酸性活化劑或中性活化劑。
[0040]其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至六之一相同。
[0041]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式步驟二
[0042]所述的堿性活化劑包括氫氧化鉀、碳酸鉀、氫氧化鈉或碳酸鈉的一種，或者兩種以上以任意比例混合的混合物；
[0043]所述的酸性活化劑包括磷酸、磷酸氫氨或磷酸二氫氨的一種，或者兩種以上以任意比例混合的混合物；
[0044]所述的中性活化劑包括氯化鋅，氯化鎂或氯化鋁的一種，或者兩種以上以任意比例混合的混合物。其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0045]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式步驟二所述活化劑水溶液的濃度為0.01-20mol/Lo
[0046]其他步驟和參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。
[0047]【具體實(shí)施方式】十:一種以榆錢為原料制備超級(jí)電容器用活性炭材料的方法，包括以下步驟:
[0048]步驟1:將榆錢烘干；
[0049]步驟2:將烘干后的榆錢置于惰性氣體中，以600°C進(jìn)行炭化，得到初步炭材料；
[0050]步驟3:步驟2得到的炭材料置于物理活化劑氣體氛圍中，以600°C -1500°C進(jìn)行活化，得到用于制造超級(jí)電容器用的活性炭材料。
[0051]步驟2所述物理活化劑氣體為水蒸氣、二氧化碳或者二者的混合物；
[0052]步驟2所述以600°C進(jìn)行炭化的時(shí)間為1-4小時(shí)；
[0053]步驟3所述以600°C _1500°C進(jìn)行活化的時(shí)間為1_4小時(shí)。
[0054]實(shí)施例1:
[0055]步驟一:將榆錢在100°C下烘干；
[0056]步驟二:將干燥的榆錢浸泡在6mol/L氫氧化鉀活化劑水溶液中12小時(shí)；
[0057]步驟三:將浸漬的榆錢于溫度為100°C條件下烘干，得到混合物；
[0058]步驟四:將步驟三中得到的混合物置于惰性氣體中以5°C /min于700°C保持2小時(shí)進(jìn)行活化，得到活性炭材料；
[0059]步驟五:將步驟四中得到的活性炭材料冷卻至室溫后，浸泡在稀酸中，采取超聲分散至均勻分布，攪拌不少于6小時(shí)，然后進(jìn)行抽濾，水洗至洗出液為中性，然后于100°C下進(jìn)行干燥處理，即可得到可用于制造超級(jí)電容器用的活性炭材料。
[0060]圖1為本實(shí)施例中所制得產(chǎn)物的FESEM圖，可以看出本實(shí)施例中所制得樣品具有片狀結(jié)構(gòu)。
[0061]圖2為本實(shí)施例中所制得產(chǎn)物的X射線衍射花樣，可以看出本實(shí)施例中所制得樣品是有一種非晶、無序的炭材料。
[0062]圖3中的[B]曲線為本實(shí)施例中所制備的活性炭材料作為電極材料組裝成三電極體系在6mol/L的KOH溶液中的恒流充放電曲線圖。該充放電曲線呈現(xiàn)出典型的三角對(duì)稱分布且都隨時(shí)間線性變化，說明其充放電過程中電容器的電壓隨時(shí)間線性變化，具有良好的電容特性。
[0063]圖4中的[B]曲線為本實(shí)施例中所制備的活性炭材料作為電極材料組裝成三電極體系在6mol/L的KOH溶液中的循環(huán)伏安曲線圖。該循環(huán)伏安曲線呈現(xiàn)出較為規(guī)則的矩形，不存在氧化還原峰，說明其容量主要來自活性炭電極和電解液界面的雙電層電容。
[0064]圖5中的[B]曲線為本實(shí)施例中所制備的活性炭材料不同電流密度下質(zhì)量比電容曲線圖。所制備的活性炭材料在IA g — 1電流密度下的質(zhì)量比電容達(dá)到470F g_\當(dāng)電流密度為60A g — 1時(shí)，其質(zhì)量比電容仍可保持在204F g Λ說明該電極具有良好的倍率性能。
[0065]實(shí)施例2:
[0066]步驟一:將榆錢在100°C下烘干；
[0067]步驟二:將干燥的榆錢浸泡在lmol/L氫氧化鉀活化劑水溶液中12小時(shí)；；
[0068]步驟三:將浸漬的榆錢于溫度為100°C條件下烘干，得到混合物；
[0069]步驟四:將步驟三中得到的混合物置于惰性氣體中以5°C /min于700°C保持2小時(shí)進(jìn)行活化，得到活性炭材料；
[0070]步驟五:同實(shí)施例1。
[0071]圖3中的[A]曲線為本實(shí)施例中所制備的活性炭材料作為電極材料組裝成三電極體系在6mol/L的KOH溶液中的恒流充放電曲線圖。該充放電曲線呈現(xiàn)出典型的三角對(duì)稱分布且都隨時(shí)間線性變化，說明其充放電過程中電容器的電壓