專利名稱:一種用棉稈基活性炭材料制備超級(jí)電容器電極材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用棉桿基活性炭材料制備超級(jí)電容器電極材料的方法,屬于電化學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
化石能源的枯竭以及全球氣候變暖的問題使人們對(duì)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(dāng)今世界的一個(gè)重要課題。伴隨著信息化高科技時(shí)代的來臨,能源應(yīng)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(dòng)高性能電源需求快速增長(zhǎng)。目前市場(chǎng)上的鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池等其共同特點(diǎn)是具有較高的能量密度,但功率密度很低,充電時(shí)間長(zhǎng)。因而難以滿足對(duì)功率密度要求很高的儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用領(lǐng)域 (如航天領(lǐng)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(zhǎng)壽命的新型綠色儲(chǔ)能器件的出現(xiàn)。超級(jí)電容器(supercapacitors)又稱電化學(xué)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(chǔ)能元件。它具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、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(diǎn),在電動(dòng)汽車、不間斷電源、航空航天、軍事等諸多領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。因此,超級(jí)電容器引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注,成為當(dāng)前化學(xué)電源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。從電化學(xué)電容器的工作原理可以看出,作為超級(jí)電容器電極材料應(yīng)該具有如下特點(diǎn)(1)比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),能吸附大量電解質(zhì);(2)化學(xué)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(nèi)性能穩(wěn)定;(4)易加工成各種形狀的電極;價(jià)格低廉、來源豐富;(6)不含有重金屬,對(duì)環(huán)境無污染。碳是最早被用來制造超級(jí)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(jí)電容器,如活性炭、碳纖維、碳?xì)饽z、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(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。目前,棉花是紡織工業(yè)的主要原料,又是中國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,在種植業(yè)中起著舉足輕重的作用。隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展,棉花產(chǎn)量大幅上升,目前中國(guó)在世界上四大產(chǎn)棉國(guó)中位居第二。與此同時(shí),棉花種植業(yè)還得到大量的副產(chǎn)物-棉桿。如能將這些棉桿充分利用,其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分巨大。目前尚無將棉桿經(jīng)適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ幚矶迫〕?jí)電容器用活性炭材料的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)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(jí)電容器電極材料的方法,該方法以棉桿為原料,將棉桿經(jīng)去皮粉碎后與活化劑混合浸潰,然后進(jìn)行活化處理、洗滌、烘干等工藝后,得到超級(jí)電容器用活性炭電極材料。本發(fā)明制備的超級(jí)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(jí)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(duì)增加棉桿的經(jīng)濟(jì)附加值、實(shí)現(xiàn)棉桿的可持續(xù)發(fā)展,以及提高超級(jí)電容器性能、降低電極材料生產(chǎn)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(jí)電容器電極材料的方法,按下列步驟進(jìn)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(zhì)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(hù)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(jìn)行活化,活化的反應(yīng)溫度為500-900°C,活化反應(yīng)時(shí)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(jīng)洗滌至中性,然后于溫度100°C下進(jìn)行干燥處理,即可得到超級(jí)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(shí)。所述步驟e中所述的保護(hù)氣體為氬氣,氮?dú)饣驓鍤馀c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(jí)電容器電極材料的方法,通過該方法獲得的超級(jí)電容器電極材料,經(jīng)采用全自動(dòng)物理吸附儀A SAP 20 20 (美國(guó)Micromeritics公司產(chǎn)),以BET方法計(jì)算比表面積,采用SEM進(jìn)行形貌分析,結(jié)果表明制備的超級(jí)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(jí)電容器具有較好的電化學(xué)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(jí)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(shí)施例方式實(shí)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(zhì)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(hù)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(jìn)行活化?;罨姆磻?yīng)溫度為700°C,活化反應(yīng)時(shí)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(jīng)洗滌至中性,然后于溫度100°C下進(jìn)行干燥處理,即可得到超級(jí)電容器電極材料。實(shí)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(zhì)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?dú)獗Wo(hù)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(jìn)行活化,活化的反應(yīng)溫度為900°C,活化反應(yīng)時(shí)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(jīng)洗滌至中性,然后于溫度100°C下進(jìn)行干燥處理,即可得到超級(jí)電容器電極材料。實(shí)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(zhì)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(jìn)行活化,活化的反應(yīng)溫度為600°C,活化反應(yīng)時(shí)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(jīng)洗滌至中性,然后于溫度100°C下進(jìn)行干燥處理,即可得到超級(jí)電容器電極材料。實(shí)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(zhì)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(hù)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(jìn)行活化,活化的反應(yīng)溫度為800°C,活化反應(yīng)時(shí)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(jīng)抽濾洗滌至中性,最后在溫度100°C下進(jìn)行干燥處理,即可得到超級(jí)電容器電極材料。實(shí)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(zhì)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(hù)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(jìn)行活化,活化的反應(yīng)溫度為800°C,活化反應(yīng)時(shí)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(jīng)洗滌至中性,然后于溫度100°C下進(jìn)行干燥處理,即可得到超級(jí)電容器電極材料。實(shí)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(zhì)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(jìn)行活化,活化的反應(yīng)溫度為550°C,活化反應(yīng)時(shí)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(jīng)洗滌至中性,然后于溫度100°C下進(jìn)行干燥處理,即可得到超級(jí)電容器電極材料。實(shí)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(zhì)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(hù)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(jìn)行活化,活化的反應(yīng)溫度為750°C,活化反應(yīng)時(shí)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(jīng)洗滌至中性,然后于溫度100°C下進(jìn)行干燥處理,即可得到超級(jí)電容器電極材料。實(shí)施例8將實(shí)施例1-7任意制備好的超級(jí)電容器電極材料進(jìn)行研磨至75-96 U m,然后將其和粘結(jié)劑乳液按照8 2的比例稱取,加入0.1ml去離子水進(jìn)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(zhì)量,其中活性物質(zhì)的質(zhì)量可通過電極片質(zhì)量減去鋁箔的質(zhì)量后得到;將質(zhì)量相近(精確到0. Img)的電極片組裝成模擬紐扣式超級(jí)電容器以進(jìn)行電化學(xué)性能的測(cè)試。
權(quán)利要求
1.一種用棉桿基活性炭材料制備超級(jí)電容器電極材料的方法,其特征在于按下列步驟進(jìn)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(zhì)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(hù)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(jìn)行活化,活化的反應(yīng)溫度為500-900°C,活化反應(yīng)時(shí)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(jīng)洗滌至中性,然后于溫度100°C下進(jìn)行干燥處理,即可得到超級(jí)電容器電極材料。
2.根據(jù)權(quán)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(shí)。
3.根據(jù)權(quán)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(hù)氣體護(hù)氣體為氬氣、氮?dú)饣驓鍤馀c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(quán)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(jí)電容器電極材料的方法,該方法首先將原材料棉桿經(jīng)去皮粉碎后與活化劑混合浸漬,然后經(jīng)活化處理、洗滌、烘干等工藝后,得到超級(jí)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(jí)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(jí)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(duì)增加棉稈的經(jīng)濟(jì)附加值、實(shí)現(xiàn)棉稈的可持續(xù)發(fā)展,以及提高超級(jí)電容器性能、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。
文檔編號(hào)C01B31/12GK102730683SQ201210254860
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者劉志強(qiáng), 吐爾迪·吾買爾, 康雪雅, 徐國(guó)慶, 竇俊青, 陳銘德, 韓英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所