一種用于電化學儲能器件的活性炭改性方法技術

本發明專利技術提出了一種用于電化學儲能器件的活性炭改性方法，包括以下步驟：將活性炭粉末與含氮活化液混合后，置于耐壓反應釜中，于80～150oC活化處理，經過濾、烘干，獲得高性能電化學儲能器件用改性活性炭材料。本發明專利技術工藝簡便，無污染，制備出的產品具有大的比表面積和優良的電化學性能。

Method for modifying active carbon for electrochemical energy storage device

The invention provides an activated carbon for electrochemical energy storage device modification method, which comprises the following steps: activated carbon powder and liquid nitrogen activation after mixing, under pressure in the reaction kettle, in 80 ~ 150oC activation treatment, filtering, drying, obtaining high performance electrochemical energy storage using modified activated carbon materials device. The invention has the advantages of simple process and no pollution, and the prepared product has large specific surface area and excellent electrochemical performance.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種用于電化學儲能器件的活性炭改性方法，屬于電化學儲能器件中電極材料領域。技術背景電化學儲能器件具有壽命長、功率大、綠色環保和便于攜帶等特點，作為電子設備和汽車的電源具有廣泛的應用前景。電池和超級電容器作為重要的電化學儲能器件主要由電極、電解質、隔膜、端板、引線和封裝組成，其電化學性能主要由電極材料的性能決定，其中活性碳材料是最常用的負極材料之一。活性碳材料是由眾多不定域碳原子組成的疏水性大分子，不利于在溶劑中分散，這就限制了該材料本身所具有的用作電極材料的優良特性。此外，因原材料及制備工藝不同，導致商用活性碳材料性能參差不齊。因此，對活性碳進行改性，即在活性碳表面引入新的親水性的含氮、氧官能團，不但可以改善碳的浸潤性還可以賦予其額外的物理化學功能，提高它們實際應用性能。當前對活性碳進行改性處理的方法，主要有（1）加熱法，在300～350℃中低溫空氣中進行氧化或在800～1000℃高溫惰性氛圍中處置；(2)等離子體處理法；（3）微波法；（4）添加活化劑，活化劑主要有濃硝酸，濃氨水，尿素、三聚氰胺等。以上方法存在設備昂貴、能耗高、有一定環境污染或性能提高不明顯等各種問題，限制其在工業上的應用。因此，克服現有技術的不足，發展一種用于電化學儲能器件的活性炭的改性方法具有重要的作用。
技術實現思路
本專利技術提供一種用于電化學儲能器件的活性炭改性方法，將活性炭粉末為原料經含氮官能團改性后，制備出的產品具有大的比表面積和優良的電化學性能，適于電化學儲能器件的電極材料使用。本專利技術采用的技術方案為：一種用于電化學儲能器件的活性炭的改性方法，包括以下步驟：（1）配制含氮活化液：向盛有質量百分比濃度為15～25%氨水的容器中加入無機銨鹽并攪拌，待固體完全溶解即可；其中氨水與銨鹽的質量比為1∶（0.05～0.2）；注意銨鹽的加入量不能大于其在配置溫度時的溶解度；（2）將活性炭原料粉末與步驟（1）含氮活化液的體積按1kg∶（3～8）L的比例混合均勻，隨后將混合物置于真空度為-0.1MPa的真空箱中10～20分鐘；（3）將步驟（2）的活性炭混合液轉移到耐壓反應釜中，于80～150℃下進行活化，保溫時間2～4小時，然后冷卻至室溫；（4）將步驟（3）所得混合液經過濾后，對濾餅進行干燥，即得用于電化學儲能器件的活性炭。上述技術方案中，步驟（4）得到的濾液經濃度調配后，可反復使用。上述技術方案中，所述無機銨鹽是助活化劑，優先硫酸銨或氯化銨。有益效果：與現有技術相比，本專利技術的優點在于：（1）本專利技術采用無機銨鹽作為助活化劑可大幅降低氨水的用量并提高溶液中的氮含量，進而減輕后續活化過程中堿對設備的腐蝕及環境污染問題；采用含氮溶液真空浸漬活性炭，提高了活化液與活性顆粒接觸程度及分布的均勻性，加快溶液在活性炭中的擴散吸附過程；第三，浸泡活性炭的混合溶液經過濾分離后，濾液可多次反復使用；（2）本專利技術采用含氮活化液-水熱聯合法來強化活化改性過程，改進生產工藝，節約能耗，降低污染，制得高比面積的活性碳材料孔隙結構發育更為成熟，用于電化學儲能器件的電極材料時電化學性能好。綜上所述，本專利技術以活性炭為原料，通過活化液真空浸漬、含氮活化液-水熱法活化改性的技術，制備出的含氮活性炭材料具有大的比表面積和優良的電化學性能，在電化學儲能器件領域具有廣泛應用前景。附圖說明圖1活性炭原料(a)及本專利技術實施例3制備的改性活性炭(b)的掃描電鏡對比照片；圖2活性炭原料(a)、活性炭在室溫下經氨水活化改性(b)及本專利技術實施例3制備的改性活性炭(c)的紅外光譜對比圖；圖3為本專利技術實施例1制備的活性炭電極的循環伏安曲線；圖4為本專利技術實施例2制備的活性炭（b）與活性炭原料（a）的電化學交流阻抗對比圖。具體實施方式下面的實施例將對本專利技術予以進一步的說明，但并不因此而限制本專利技術。以下實施例中，涉及到的氨水濃度是指質量百分比濃度。實施例1配置質量之比為1（15%氨水）∶0.2（助活化劑硫酸銨）的活化液，攪拌，待固體完全溶解即可；以市售活性炭為原料，按質量（kg）與活化液的體積(L)之比為1∶4攪拌混合均勻后，置于真空度為-0.1MPa的真空箱中10分鐘，隨后將混合物轉移至耐高壓反應釜中，于100℃保溫120min；最終將活化產物過濾，濾餅在100℃干燥2h。實施例2配置物質的量之比為1（20%氨水）∶0.15（助活化劑硫酸銨）的活化液，攪拌，待固體完全溶解即可；將市售活性炭原料，按質量（kg）與活化液的體積(L)之比為1∶4攪拌混合均勻后，置于真空度為-0.1MPa的真空箱中15分鐘，隨后將混合物轉移至耐高壓反應釜中，于80℃保溫180min；最終將活化產物過濾，濾餅在100℃干燥2h。實施例3配置物質的量之比為1（25%氨水）∶0.1（助活化劑硫酸銨）的活化液，攪拌，待固體完全溶解即可；將市售活性炭原料，按質量（kg）與活化液的體積(L)之比為1∶6攪拌混合均勻后，于真空度為-0.1MPa的真空箱中放置10分鐘，隨后將混合物轉移至耐高壓反應釜中，于150℃保溫120min；最終將活化產物過濾，濾餅在100℃干燥2h。如圖1所示，是活性炭原料(a)及本專利技術實施例3制備的改性活性炭(b)的掃描電鏡對比照片。實施例4配置質量之比為1（25%氨水）∶0.05（助活化劑硫酸銨）的活化液，攪拌，待固體完全溶解即可；將市售活性炭原料，按質量（kg）與活化液的體積(L)之比為1∶8攪拌混合均勻后，于真空度為-0.1MPa的真空箱中放置20分鐘，隨后將混合物轉移至耐高壓反應釜中，于150℃保溫240min；最終將活化產物過濾，濾餅在100℃干燥2h。本專利技術中，助活化劑不只局限于硫酸銨，與活性炭不發生劇烈化學反應且能提供氮原子的銨鹽都可使用。應用例1將上述例3制備的活性炭按活性物質∶乙炔黑∶PVDF=85∶10∶5的比例進行混合，制備成電極片，以6MKOH溶液為電解液，采用在公知雙電層電容器中使用的隔膜共同組裝成紐扣式超級電容器。采用循環伏安法在不同掃描速率下進行測試，結果如圖3所示。該石墨化活性炭電極的循環伏安曲線在50mV/s的高掃速下仍然能夠保持較好的矩形，說明其具有很高的倍率性能。應用例2將上述例4制備的活性炭按活性物質∶乙炔黑∶PVDF=85∶10∶5的比例進行混合，制備成電極片，以6MKOH溶液為電解液，采用在公知雙電層電容器中使用的隔膜共同組裝成紐扣式超級電容器。常溫下在CHI660D電化學工作站進行交流阻抗的測試，其測試結果見圖4。經過本專利技術制備的活性炭與未經改性的原料相比，其阻抗值明顯降低。以上實施例說明，采用本專利技術以市售活性炭為原料可以制備出具有優異電化學性能的改性活性炭材料。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于電化學儲能器件的活性炭改性方法，包括以下步驟：（1）配制含氮活化液：向盛有質量百分比濃度為15～25%氨水的容器中加入無機銨鹽并攪拌，待固體完全溶解即可；其中氨水與銨鹽的質量比為1∶（0.05～0.2）；（2）將活性炭原料粉末與步驟（1）含氮活化液的體積按1?kg∶（3～8）L的比例混合均勻，隨后將混合物置于真空度為?0.1MPa的真空箱中10～20分鐘；（3）?將步驟（2）的活性炭混合液轉移到耐壓反應釜中，于80～150oC下進行活化，保溫時間2～4小時，然后冷卻至室溫；（4）將步驟（3）所得混合液經過濾后，對濾餅進行干燥，即得用于電化學儲能器件的活性炭。

【技術特征摘要】
1.一種用于電化學儲能器件的活性炭改性方法，包括以下步驟：（1）配制含氮活化液：向盛有質量百分比濃度為15～25%氨水的容器中加入無機銨鹽并攪拌，待固體完全溶解即可；其中氨水與銨鹽的質量比為1∶（0.05～0.2）；（2）將活性炭原料粉末與步驟（1）含氮活化液的體積按1kg∶（3～8）L的比例混合均勻，隨后將混合物置于真空度為-0.1M...

【專利技術屬性】
技術研發人員：沈培智，張軍，
申請(專利權)人：湖北汽車工業學院，
類型：發明
國別省市：湖北;42