一种活性炭材料、制备方法和超级电容器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种活性炭材料、制备方法和超级电容 器。
【背景技术】
[0002] 超级电容器是一种介于蓄电池和传统电容器之间、基于电极/电解液界面的电化 学过程的储能元件，其容量来源于双电层电容和法拉第准电容，它兼有普通电容器功率密 度大和蓄电池能量密度高的特点，具有优异的连续快速充放电性能、循环寿命长、功率密度 高、使用温度范围宽、对环境友好等优点。超级电容器在许多领域都有广泛的应用前景，如 移动通信、信息技术、航空航天、国防科技、民用领域或单独用于调整电负荷、贮存电力，或 与燃料电池、太阳能电池、风力发电、内燃机等产生电能的装置混合使用。
[0003] 目前越来越多的研宄关注的提高超级电容器的电化学性能，尤其提高其比电容、 充放电循环性能等。目前的研宄表面，超级电容器的电极材料是制约其性能的关键因素之 一，而活性炭材料具有的大的比表面积、高的中孔率、低的电阻率、化学性能稳定、孔结构可 控、价格低廉、来源广泛等优点，使其作为超级电容器的理想电极材料。因此，如何制备出比 表面积大、中孔率高、总孔容大的活性炭材料对提高超级电容器的电化学性能具有至关重 要的作用。
[0004] 目前制备活性炭材料通常以石油、煤炭、木材、果壳、树脂等为原料，经过炭化阶段 和活化阶段制备而成，其中活化方法分为化学活化和物理活化，化学活化条件比较苛刻，能 耗大，生产成本高，且对设备腐蚀性较强，操作比较危险，二次污染较大；与化学活化相比， 物理活化对环境无害，且活化剂清洁易得，成本低。如中国专利CN1012441819A公开了一种 金属活性炭的制备方法，以煤质原料粘结金属化合物为原料，在400?700°C下炭化，以含 有水蒸气的混合物为活化剂以物理活化的方式在700?1000°C下活化，虽然该公开的活性 炭采用物理活化的方式制备，克服了化学活化的缺陷，但是这种主要以煤质为原料制备的 活性炭的比表面积最高仅仅达到107 lm2/g，无法满足超级电容器对电极材料比表面积性能 的要求，无法确保使用该材料制备的超级电容器的充放电循环性能。
[0005] 那么，能否打破把石油、煤等作为原料制备活性炭的常规思维方式，而以其它材料 为原料来制备用于超级电容器活性炭的研宄尚未见报道。块状石墨，属于天然石墨范畴，储 量丰富，品位很高，碳含量为60 %?65 %，甚至高达80 %?98 %，结晶肉眼可见，材料内部 空隙大，具有天然的蜂窝状孔洞结构。另外，其化学性质极其稳定（只有在3850±50°C温度 下才变成液态），耐温差性能、耐腐蚀性能极好。为此，研宄一种易于操作、成本低的用块状 石墨制备超级电容器用活性炭材料，具有明显的经济效益和社会效益。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提高一种以块状石墨为原料制 备的比表面积大、中孔率高、总孔容大的活性炭材料。
[0007] 本发明的目的之二在于提供一种活性炭材料的制备方法。
[0008] 本发明的目的之三在于提供一种质量比电容高，循环性能好的超级电容器。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0010] -种活性炭材料，以块状石墨为原料，采用包括以下操作步骤的方法制备而得：
[0011] 1)块状石墨的炭化：将块状石墨以10?20°C升温速率升温至500?700°C，炭化， 得到炭化料；
[0012] 2)炭化料的活化：将步骤1)制备的炭化料以10?20°C /min的升温速率升温至 700?900°C后，通入活化气体，活化后即得所述的活性炭材料。
[0013] 步骤2)中所述的活化气体为二氧化碳和水蒸气的混合气体。
[0014] 所述活化气体为二氧化碳气体经过去离子水后流出的气体。
[0015] 步骤2)中炭化料的质量为10?30g时，对应活化气体的流量为100?300ml/min。
[0016] 所述活化气体为将二氧化碳气体以100?300ml/min的流速，通入15?20L去离 子水中，流出的气体即为活化气体。
[0017] 步骤1)中炭化时间为1?3h。
[0018] 步骤2)中活化时间为2?6h。
[0019] 一种活性炭材料的制备方法，包括以下操作步骤：
[0020] 1)块状石墨的炭化：将块状石墨以10?20°C升温速率升温至500?700°C，炭化， 得到炭化料；
[0021] 2)炭化料的活化：将步骤1)制备的炭化料以10?20°C /min的升温速率升温至 700?900°C后，通入活化气体，活化后即得所述的活性炭材料。
[0022] 上述块状石墨的粒径D5c!为20?30 μ m，比表面积为70?90m 2/g。
[0023] 步骤1)中炭化后降至室温得到炭化料。
[0024] 步骤1)中块状石墨在惰性气体保护下升温后炭化。
[0025] 步骤2)中炭化料在惰性气体保护下升温后停止通入惰性气体，再通入活化气体 进行活化。
[0026] 步骤2)中活化后停止加热和通入活化气体，在惰性气体保护下降至室温后，将活 化后炭化料粉碎，过筛，除磁后得到所述的活性炭材料。
[0027] 上述过筛为过200目筛。
[0028] 上述惰性气体为氮气。
[0029] 一种超级电容器，其电极材料为上述活性炭材料。具体为：将活性炭材料、导电剂、 粘结剂混合制成楽·料，将楽·料涂覆在集流体上制成活性炭电极；取两片制好的活性炭电极 作为电容器的正负极，与电解液和隔膜组装成超级电容器。
[0030] 本发明活性炭材料，以块状石墨为原料经过炭化和活化制备获得，炭化阶段和活 化阶段升温速率适宜、条件温和，使每一阶段的产物不因升温过快而导致孔径过大或孔结 构发生破坏，也避免了升温过慢导致升温时间延长，使块状石墨在限定的升温速率条件 下形成丰富、合理的孔结构，同时降低能耗，节约成本，使制备的活性炭材料平均粒径为 16. 72 ?19. 97 μ m，比表面积为 2019. 25 ?2158. 13m2/g，总孔容为 0· 946 ?I. 143cm3/g，中 孔率为30. 2?45. 0%，灰分为0. 01 %?0. 05%，获得比表面积大、总孔容大、中孔率高的活 性炭材料；同时，本发明活性炭材料以块状石墨为原料，来源广泛，价格低廉，节约成本。
[0031] 进一步的，本发明活性炭材料，活化过程中采用二氧化碳和水蒸气的混合气体进 行物理活化，CO 2活化能够得到好的微孔结构，较大的微孔容积和窄的孔径分布；H 20分子 小，易扩散，反应速度较快，活化制得的活性炭具有较宽的孔径分布及较大的吸附容量。 C02/H20活化方法结合二者活化的特点，在二者的协同作用下拓宽了活性炭的孔径，使微孔 和中孔的分布更为合理，是该活性炭材料作为超级电容器的电极材料时，进一步的提高超 级电容器的电化学性能。
[0032] 本发明制备方法，将块状石墨在限定的升温速率条件下，制备获得具有超大比表 面积、大的总孔容、高的中孔率的活性炭材料，制备方法活化条件温和、耗能小，对环境友 好，操作方便，原材料来源广泛，成本低，适合大规模工业化生产。
[0033] 本发明超级电容器，以本发明制备的活性炭材料为电极材料，活性炭材料大的比 表面积、大的总孔容和高的中孔率，提高了超级电容器的比电容和充放电循环性能，满足了 超级电容器对高的比电容、优良的大电流性能的要求，并且采用块状石墨制备的活性炭材 料为电极材料，拓展了块状石墨的用途，提升了天然石墨产品附加值，扩大了超级电容器电 极材料来源的发展空间，具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0034] 图1为实施例1活性炭材料的制备工艺流程图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限 制。
[0036] 实施例1
[0037] 本实施例活性炭材料，以块状石墨为原料，由以下制备方法制备而得，如图1所 示，具体操作步骤为：
[0038] 1)块状石墨炭化：选取D5c!为22. 5 μ m，比表面积为80m 2/g的块状石墨颗粒，在N2 保护下，于密闭窑炉中以15°C /min的升温速率升温至600°C，炭化2h，后降至室温，得炭化 料；
[0039] 2)炭化料活化：取20g步骤1)所得炭化料置于活化炉中，在队保护下以15°C/ min的升温速率升温至800°C，停止通入N2，同时通入CO2经过去离子水后流出的气体，流出 气体的流量控制在200mL/min，活化4h后停止加热，切断CO 2，在队保护下降至室温并用粉 碎机粉碎、200目筛网筛分、去磁机除磁，得到活性炭材料。
[0040] 本实施例超级电容器，以本实施例制备的活性炭材料为电极材料，具体为：将活性 炭材料、导电剂石墨和粘结剂聚四氟乙烯乳液按照8:1:1的比例混合均匀，调成均匀的浆 料，将该浆料均匀涂于泡沫镍上，真空干燥后压片、称重，得到活性炭电极；取两片制好的活 性炭电极作为电容器的正负极，采用3mol/L的KOH溶液作为电解液，聚丙烯作为隔膜，组装 成超级电容器。
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