使用RF和DC等离子体的碳的化学活化制造技术

本发明专利技术涉及从包含碳原料和至少一种活化剂的原料颗粒形成活性炭的方法和设备。使原料颗粒接触由RF和DC电源的组合产生的等离子体羽流。原料颗粒可以气旋的模式在等离子体羽流中流动增加的停留时间。碳原料可为碳前体材料或碳化的材料。在一定温度下，使原料颗粒与等离子体羽流接触，并接触足以碳化和/或活化原料颗粒的时间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉参考本申请根据35U.S.C.§119要求2013年07月26日提交的美国临时申请系列第61/858,869号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。
本专利技术总体涉及用于形成活性炭的方法和设备,具体来说，涉及使用RF和DC等离子体的碳的化学活化。背景储能装置例如超级电容器可用于从手机到混合汽车的各种应用。在需要高功率、长保质期和/或长循环寿命的应用中，超级电容器已兴起作为电池的替代品。超级电容器通常包含夹在一对碳基电极之间的多孔隔膜和有机电解质。能量的储存是通过将在电解质与电极之间的界面处形成的电化学双电层中的电荷分离并储存来实现的。这些装置的重要特性是它们可提供的能量密度和功率密度，所述能量密度和功率密度在很大程度上都取决于结合进入电极的碳的性质。适用于结合进入储能装置的碳基电极是已知的。活性炭广泛用作超级电容器中的多孔材料，因为其具有较大的表面积、电子传导率、离子容量、化学稳定性和/或低成本。活性炭可由天然前体材料(例如煤、坚果壳和生物质)或合成材料(例如酚醛树脂)来制备。无论是天然前体还是合成前体，活性碳均可通过先使前体碳化，然后使中间产物活化来形成。活化可以包括在提升的温度下的化学活化或者物理活化(例如，蒸汽或CO2)，以增加孔隙率进而增加碳的表面积。物理和化学活化过程通常都涉及大的热衡算，以对碳化的材料进行加热并与活化剂发生反应。在化学活化的情况下，当对碳化的材料进行加热并与活化剂(例如KOH)发生反应时，会形成腐蚀性副产物。此外，在碳化的材料和活化剂的加热和反应过程中可能发生的相改变或熔化可导致在加工过程中使混合物聚集。这些不足会增加整体工艺的复杂度和成本，特别是对于在提升的温度下进行延长的时间的反应。当将腐蚀剂例如KOH用于碳的化学活化时，已报道存在显著的问题。例如,当将旋转窑炉用于碳活化时，在活化温度下处理之前，常常需要原料经历煅烧和/或干燥和/或脱水。在连续的过程中(例如使用螺杆捏合机的过程中)，聚集往往带来严重的问题，例如增加的工艺复杂性和/或成本。作为避免聚集问题的方法之一，已使用了其它技术例如辊式炉底，其中在盘里装载活化混合材料，并通过多区隧道炉。这种炉操作成本高，且可能具有有限的通量，因为每次只有一个盘的水平通过该炉。炉宽也是辊式炉底通量的限制因素，因为跨越炉的辊长度受限于材料的可用能力和在工作温度下的强度。此外，用于活化碳的现有方法通常使用间歇过程、半间歇过程或具有缓慢加料速率的连续过程，它们都需要消耗显著量的时间和能量。因此，优选地需要提供活性炭材料以及使用更快和更经济的化学活化方案来形成活性炭材料的方法,同时还尽可能减少与腐蚀和/或聚集相关的问题。所得活性炭材料可具有高的表面积和体积比例，并可用于形成碳基电极，其使得能形成高效、长寿命和高能量密度的装置。概述在各种实施方式中,本专利技术涉及用于含碳材料的化学活化的设备,其包含通过射频(RF)电流和直流电流(DC)电源的组合产生的等离子体羽流(plume)。包含多个分配器来将包含碳原料和至少一种活化剂的原料颗粒引入等离子体羽流。在各种实施方式中,利用具有与等离子体羽流相切的方向的至少一种气体的流动来引起颗粒在等离子体羽流之内的气旋流动。此外，本文所述的是形成活性炭的方法,其包含使原料颗粒与等离子体羽流接触足以使碳原料与至少一种活化剂反应来形成活性炭的停留时间。在一些实施方式中,在等离子体羽流之内形成颗粒的气旋流动来增加停留时间。根据各种非限制性实施方式中,活化剂是碱金属氢氧化物,例如KOH,NaOH或LiOH。在其它实施方式中,碳原料选自碳前体材料和碳化的材料。在以下的详细描述中提出了本专利技术的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本专利技术而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是本专利技术的示例，用来提供理解要求保护的本专利技术的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本专利技术的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本专利技术的各种实施方式，并与描述一起用来解释本专利技术的原理和操作。附图简要说明结合以下附图阅读本专利技术，便可以最好地理解下文中的专利技术详述，图中相同的结构用相同的编号表示：图1是估算的在封闭系统中KOH和碳的平衡相图；图2是根据本专利技术的一个实施方式的用于制备活性碳的系统的示意图；和图3是根据本专利技术的一个实施方式的用于制备活性碳的系统的示意图。详细描述本文所述的是化学活化含碳材料的设备,该设备包含(i)容纳等离子体的容器,(ii)线圈，该线圈绕着容纳等离子体的容器设置并构造成用于线圈之内的电流流动,(iii)连接到容纳等离子体的容器的递送等离子体的容器,(iv)第一分配器，其设置成将包含第一气体和原料颗粒的第一流引入容纳等离子体的容器,其中该原料颗粒包含碳原料和任选地至少一种活化剂,(v)第二分配器，其设置成将第二气体的切向流引入递送等离子体的容器,(vi)任选的第三分配器，其设置成将至少一种活化剂引入递送等离子体的容器,(vii)射频发生器，其连接到至少一个线圈并构造成用于线圈之内的射频电流流动,和(viii)连接到容纳等离子体的容器的直流电流电源,其中射频和直流电流一起足以将第一气体转化成等离子体，且其中该至少一种活化剂通过第一分配器和/或第三分配器来引入。此外，本文所述的是用于制备活性炭的方法,该方法包含(i)产生等离子体羽流和(ii)将包含碳原料和至少一种活化剂的原料颗粒引入该等离子体羽流,其中该原料颗粒在等离子体羽流之内以气旋的模式流动，且其中该原料颗粒与等离子体羽流接触足以使该碳原料与该至少一种活化剂反应来形成活性炭的时间。本文所述的设备和方法还可用于碳的物理活化，例如无需使用化学活化剂。例如,可在存在一种或多种气体例如蒸汽和/或二氧化碳时,将碳原料颗粒引入等离子体羽流，其中碳原料颗粒在等离子体羽流之内以气旋的模式流动，并与羽流接触足以活化碳的时间。在这些非限制性实施方式中，原料颗粒包含没有任何活化剂的碳原料，且设备中不存在任选的第三分配器或其用于分配额外的气体,例如蒸汽和/或二氧化碳。设想了适用于碳的物理活化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于含碳材料的化学活化的设备,该设备包含:(i)容纳等离子体的容器；(ii)线圈，该线圈绕着容纳等离子体的容器设置并构造成用于线圈之内的电流流动；(iii)连接到该容纳等离子体的容器的递送等离子体的容器；(iv)第一分配器，其设置成将包含第一气体和原料颗粒的第一流引入该容纳等离子体的容器,其中该原料颗粒包含碳原料和任选地包含至少一种活化剂；(v)第二分配器，其设置成将第二气体的切向流引入该递送等离子体的容器；(vi)任选的第三分配器，其设置成将至少一种活化剂引入该递送等离子体的容器；(vii)射频发生器，其连接到至少一个线圈并构造成用于线圈之内的射频电流流动；和(VIII)连接到该容纳等离子体的容器的直流电流电源，其中该射频和直流电流一起足以将第一气体转化成等离子体，和其中该至少一种活化剂通过第一分配器和/或第三分配器来引入。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.26 US 61/858,8691.一种用于含碳材料的化学活化的设备,该设备包含:
(i)容纳等离子体的容器；
(ii)线圈，该线圈绕着容纳等离子体的容器设置并构造成用于线
圈之内的电流流动；
(iii)连接到该容纳等离子体的容器的递送等离子体的容器；
(iv)第一分配器，其设置成将包含第一气体和原料颗粒的第一流
引入该容纳等离子体的容器,其中该原料颗粒包含碳原料和任选地包含至少
一种活化剂；
(v)第二分配器，其设置成将第二气体的切向流引入该递送等离子体
的容器；
(vi)任选的第三分配器，其设置成将至少一种活化剂引入该递送
等离子体的容器；
(vii)射频发生器，其连接到至少一个线圈并构造成用于线圈之内
的射频电流流动；和
(VIII)连接到该容纳等离子体的容器的直流电流电源，
其中该射频和直流电流一起足以将第一气体转化成等离子体，和
其中该至少一种活化剂通过第一分配器和/或第三分配器来引入。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包含冷却夹套，该冷却
夹套绕着该容纳等离子体的容器和/或该递送等离子体的容器设置。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该容纳等离子体的容器包
含内部腔室和外部腔室,其中:
(a)该原料颗粒和第一气体流经该内部腔室,和
(b)该外部腔室任选地包含防护气体。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该等离子体是常压等离子

\t体，且该等离子体羽流具有长度以及限定芯和外部边缘的圆形横截面,其中
该等离子体羽流的温度梯度从该芯处的大于约11,000°K变化到在该外部边
缘处的大于约300°K。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，线圈中的电流流动的频率
是约400kHz-约5.8GHz。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该射频发生器在约10kW-
约1MW的功率水平下操作。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该等离子体沿第一方向流
入递送等离子体的容器,其中第二分配器设置成沿与第一方向相切的第二方
向递送第二气体,且其中原料颗粒在该递送等离子体的容器中以气旋的模式
流动。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，第一气体和/或第二气体选
自氩气、空气、氦气、氮气、它们的混合物和它们与蒸汽的混合物。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，第一气体和/或第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·R·鲍顿，J·G·法甘，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US