一种活性炭材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种活性炭材料及其制备方法，所述活性炭材料为核壳结构，核层为微孔占比90％～100％的活性炭，壳层为介孔占比40％～70％的活性炭。所述活性炭材料核层具有大量微孔，壳层具有大量介孔，作为超级电容器电极材料，能够保证足够的压实密度，同时对电解液的浸润性大大提高，并且有利于充放电过程电解液离子的快速传输和有效储能，使其具有高容量低内阻的显著特性。

Activated carbon material and preparation method thereof

The invention provides an active carbon material and a preparation method thereof. The active carbon material is a core-shell structure, the core layer is an active carbon with a micropore ratio of 90%-100%, and the shell layer is an active carbon with a mesoporous ratio of 40%-70%. The activated carbon material has a large number of micropores in the core layer and a large number of mesopores in the shell layer. As the electrode material of a supercapacitor, the activated carbon material can ensure sufficient compaction density, greatly improve the wettability of the electrolyte, and is conducive to the rapid transmission and effective energy storage of the electrolyte ions during the charging and discharging process, so that it has high capacity and low internal energy storage. Significant characteristics of resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种活性炭材料及其制备方法
本专利技术属于超级电容器电极材料领域，涉及一种活性炭材料及其制备方法。
技术介绍
超级电容器可实现瞬间大电流充放电，具有超高的功率密度，循环寿命高达50万次，工作温度范围较宽，为-40～75℃，使得其作为一种绿色能量存储设备，已成为世界各国研究和开发的热点。超级电容器要真正实现在电动汽车等方面的大规模应用，还需提高其能量密度，这就需要提高其比电容和工作电压。目前关注较多的是3V高电压有机体系的开发，要求电极材料具有丰富、合理的孔结构以及较低的表面官能团含量。活性炭以其优良的导电性以及电化学稳定性、超高的比表面、广泛的原料来源、低廉的价格等优势，成为目前超级电容器领域研究最为成熟、应用最为广泛的电极材料。活性炭比表面积、孔结构的差异及其表面的化学环境，都对电容性能具有显著地影响。目前活性炭主要的研究方向为：高比表、高中孔率、高纯度和高性价比等。现有活性炭多数具有发达的微孔体系，中孔较少，由于超小微孔的孔径小于电解液离子，导致离子无法进入，从而造成活性炭的比表面无法充分利用；这些无效超小微孔的存在还会导致材料导电性降低，内阻增加，从而影响超级电容器的循环稳定性以及安全性；且制备高比表的活性炭，通常使用较大比重的活化剂，活化温度也相应较高，无疑大大增加了生产成本。目前主要通过改善孔结构和降低碱用量的方式提高活性炭性能和降低生产成本。CN103252213A公开了一种微孔-中孔结构的活性炭，该专利技术以香榧假种皮为生产原料，洗净烘干后粉碎至粒径为10～100目，然后在350～650℃下碳化处理，随后加入磷酸在600～795℃下活化，制得孔径为0.7～5nm、比表面积为2000～3500m2/g的吸附效果较好的活性炭，但该活性炭微孔与中孔的分布无序、随机，且大孔较多，压实密度较低，不宜作超级电容器电极材料。CN1792936公开了一种复合活性炭纤维及其制备方法，其先将玻璃纤维浸渍于由聚丙烯腈、酚醛或聚乙烯醇与氯化锌或磷酸组成的混合物的溶液中,使玻璃纤维包覆一层聚合物层，然后经450～900℃高温碳化活化，必要时再通入水蒸汽活化30～360分钟，得到复合活性炭纤维，该制备方法过程中不使用碱活化剂，制得的复合活性炭纤维表层的多孔炭层具有丰富的微孔，但中孔较少，且比表面积只有500～1800m2/g，不利于电解液离子的传输和能量密度的提高。因此，开发一种提高有效微孔含量和介孔含量，同时提高孔结构排布有序性从而降低内阻的活性炭的制备方法，是一项技术难题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的提供一种活性炭材料及其制备方法，所述活性炭材料核层具有大量微孔，壳层具有大量介孔，作为超级电容器电极材料，能够保证足够的压实密度，同时对电解液的浸润性大大提高，并且有利于充放电过程电解液离子的快速传输和有效储能，使其具有高容量低内阻的显著特性。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术目的之一在于提供一种活性炭材料，所述活性炭材料为核壳结构，核层为微孔占比90％～100％的活性炭，壳层为介孔占比40％～70％的活性炭。其中，所述核层中微孔占比可以是91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％等，所述壳层中介孔的占比可以是45％、50％、55％、60％、65％或69％等，但并不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。本专利技术所述微孔即IUPAC规定的孔径小于2nm的孔，本专利技术所述介孔即IUPAC规定的孔径为2～50nm的孔。作为本专利技术优选的技术方案，所述活性炭材料的中值粒径为0.5～30μm，如0.5μm、1μm、2μm、5μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm、22μm、25μm、28μm或30μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为5～18μm。优选地，所述壳层的厚度为0.1～10μm，如0.1μm、0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为0.5～4μm。作为本专利技术优选的技术方案，所述微孔包括有效微孔和无效微孔。所述活性炭材料中孔径＜0.68nm的无效微孔占比为15～25％，如15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述活性炭材料中孔径为0.68～2nm的有效微孔占比为45％～60％，如45％、46％、48％、50％、52％、55％、58％或60％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述所述活性炭材料中孔径为2～50nm的介孔占比为15～35％，如15％、16％、18％、20％、22％、25％、28％、30％、32％或35％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本专利技术中，对介孔、微孔、有效微孔以及无效微孔在本专利技术提供的活性炭材料的占比如无特殊限定均为孔容占比。本专利技术目的之二在于提供一种上述活性炭材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将碳源在惰性气氛进行炭化处理，粉碎并与活性剂混合，得到混碱料；(2)将步骤(1)得到的混碱料在惰性气氛下预活化，后与稀释过后的树脂材料混合，蒸发去除稀释剂得到预包覆前驱体；(3)将步骤(2)得到的预包覆前驱体在惰性气氛下固化，后进行原位活化得到活化料；(4)将步骤(3)得到的活化料在惰性气氛下进行焙烧，得到所述活性炭材料。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述碳源为硬质果壳。优选地，所述硬质果壳可以是椰壳、杏壳或核桃壳中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：椰壳和杏壳的组合、杏壳和核桃壳的组合、核桃壳和椰壳的组合或椰壳、杏壳和核桃壳的组合等。优选地，步骤(1)所述炭化处理的温度为300～550℃，如300℃、320℃、350℃、380℃、400℃、420℃、450℃、480℃、500℃、520℃或550℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为400～500℃。优选地，步骤(1)所述炭化处理的时间为0.5～10h，如0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h或10h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为1～4h。其中，步骤(1)所述炭化处理可以在箱式炉、回转炉、辊道窑、推板窑或管式炉中进行。优选地，步骤(1)所述粉碎或粉碎料的中值粒径为0.5～30μm，如0.5μm、1μm、2μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm或30μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为5～18μm。所述制备方法中，步骤(1)所述粉碎为使用高速机械破碎机将炭化料破碎处理，之后进行球磨粉碎和/或气流粉碎。其中，上述破碎处理使用的破碎机的功率为2000W以上；所述破碎机筛网细度为优选为5～120目，如5目、10目、15目、20目、30目、40目、50目、60目、70目、80目、90目、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种活性炭材料，其特征在于，所述活性炭材料为核壳结构，核层为微孔占比90％～100％的活性炭，壳层为介孔占比40％～70％的活性炭。

【技术特征摘要】
1.一种活性炭材料，其特征在于，所述活性炭材料为核壳结构，核层为微孔占比90％～100％的活性炭，壳层为介孔占比40％～70％的活性炭。2.根据权利要求1所述的活性炭材料，其特征在于，所述活性炭材料的中值粒径为0.5～30μm，优选为5～18μm；优选地，所述壳层的厚度为0.1～10μm，优选为0.5～4μm。3.根据权利要求1或2所述的活性炭材料，其特征在于，所述微孔包括有效微孔和无效微孔；优选地，所述活性炭材料中孔径＜0.68nm的无效微孔占比为15～25％；优选地，所述活性炭材料中孔径为0.68～2nm的有效微孔占比为45％～60％；优选地，所述活性炭材料中孔径为2～50nm的介孔占比为15～35％。4.一种权利要求1-3任一项所述的活性炭材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将碳源在惰性气氛下进行炭化处理，粉碎并与活性剂混合，得到混碱料；(2)将步骤(1)得到的混碱料在惰性气氛下预活化，后与稀释过后的树脂材料混合，蒸发去除稀释剂得到预包覆前驱体；(3)将步骤(2)得到的预包覆前驱体在惰性气氛下固化，后进行原位活化得到活化料；(4)将步骤(3)得到的活化料在惰性气氛下进行焙烧，得到所述活性炭材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述碳源为硬质果壳；优选地，所述硬质果壳为椰壳、杏壳或核桃壳中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)所述炭化处理的温度为300～550℃，优选为400～500℃；优选地，步骤(1)所述炭化处理的时间为0.5～10h，优选为1～4h；优选地，步骤(1)所述粉碎或粉碎料的中值粒径为0.5～30μm，优选为5～18μm；优选地，步骤(1)所述活化剂包括氢氧化钠和/或氢氧化钾；优选地，所述粉碎料与活化剂的质量比为1:(1～5)，优选为1:(1.5～3)。6.根据权利要求4或5所述的技术方案，其特征在于，步骤(2)所述预活化的温度为200～500℃，优选为250～350℃；优选地，步骤(2)所述预活化时的升温速率为0.5～100℃/min，优选为1～10℃/min；优选地，步骤(2)所述预活化的时间为0.5～5h，优选为1～2h；优选地，步骤(2)所述树脂材料与预活化料质量比为(0.05～4):1...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤雪梅，汪福明，任建国，黄友元，岳敏，
申请(专利权)人：深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44