利用至少一种添加剂对碳进行的化学活化制造技术

在各种实施方式中，本发明专利技术涉及活性炭的形成方法，所述方法包括：(a)提供一种包含碳原料、至少一种活化剂和至少一种添加剂的原料混合物以形成原料混合物，所述活化剂选自碱金属氢氧化物，所述添加剂选自脂肪、油、脂肪酸、脂肪酸酯和多羟基化合物；(b)可选地将所述原料混合物加热至第一温度，且当进行将原料混合物加热至第一温度的步骤时，可选地将所述原料混合物在所述第一温度下保温一段足以使所述至少一种活化剂与所述至少一种添加剂发生反应的时间；(c)可选地对所述原料混合物进行研磨和/或碾碎；(d)将所述原料混合物加热至活化温度；以及(e)将所述原料混合物在所述活化温度下保温一段足以形成活性炭的时间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119要求于2013年7月31日提交的美国临时申请序列号61/860489的优先权，本申请以该文为基础，该文的内容通过引用全文纳入本申请。
本专利技术总体上涉及活性炭的形成方法，更具体而言，本专利技术涉及利用至少一种添加剂对碳进行化学活化以减轻气泡和/或熔化。背景例如超级电容器的储能装置可被用于各种应用中，范围从手机到混合动力汽车。超级电容器正逐渐成为需要大功率、长贮藏寿命和/或长循环寿命的应用中的电池的替代物。超级电容器通常包含被一对碳基电极夹在中间的多孔隔膜和有机电解质。能量的储存是通过将电荷分离并储存于在电极与电解质之间的界面处产生的电化学双层中来实现的。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都在很大程度上取决于结合入电极中的碳的性质。适合结合入能量存储装置中的碳基电极是已知的。由于活性炭具有较大的表面积、电子导电性、离子电容、化学稳定性和/或较低的成本，因而被广泛用作超级电容器中的多孔材料。活性炭可由例如煤炭、椰壳和生物质的天然前体材料或例如酚醛树脂的合成材料制得。利用天然和合成前体，活性炭可通过先使前体碳化再使中间产物活化来形成。活化可包括在升高的温度下进行提高碳的孔隙率的物理(例如水蒸气或CO2)或化学活化，从而提高其表面积。本领域中已被使用的若干化学试剂包括KOH、NaOH、LiOH、H3PO4、Na2CO3、KCl、NaCl、MgCl2、AlCl3、P2O5、K2CO3、K2S、KCNS和/或ZnCl2；然而，例如KOH、NaOH和LiOH的碱金属氢氧化物被广泛使用以实现各种所需的性质。物理和化学活化处理通常都包含大量的热衡算以对碳化材料进行加热并使其与活化剂反应。在化学活化的情况下，当碳化材料被加热并与例如碱金属氢氧化物的苛性化学活化剂反应时，可形成腐蚀性的副产物。另外，碳化材料和化学活化剂在加热和反应过程中可能发生相变或熔化，这可在处理过程中导致不希望的混合物团聚。这些缺陷会增加整个过程的复杂度和成本，特别是对于那些在长时间下在升高的温度下进行的反应而言。据报道，当在碳的化学活化中使用例如KOH的苛性物质时会产生严重的问题。例如，当在碳活化中使用旋转窑时，通常需要使原料在进行活化温度下的处理前经过煅烧和/或干燥和/或脱水处理。团聚常常会产生严重的问题，例如增加过程的复杂度和/或成本，例如在连续过程中，过程需要使用螺旋捏合机。作为一种避免团聚问题的方法，已使用例如滚筒炉的其它技术，其中，在托盘上装载活化混合材料并使其通过多区域隧道炉。这种炉子的运行成本会比较高且其通量会受限，因为每次只能由一个托盘水平通过炉子。炉膛宽度也是一个限制滚筒炉通量的因素，因为横跨炉子的滚筒长度受到工作温度下的材料效用和强度的限制。另外，使用碱金属氢氧化物的化学活化会在处理过程中释放出若干种气体(例如CO、CO2、H2和H2O)，这些气体会形成泡沫。活化过程中的起泡会限制能够在活化反应器中被处理的材料的量。例如，在一些种情况中，考虑到处理中产生的气泡，坩埚中用于装载原料混合物的体积只占到坩埚容积的大约10～30％，例如大约20％。如上所述，原料混合物的腐蚀性使其需要使用由昂贵且耐腐蚀的材料制成的反应器来处理。因此，若能开发一种允许增加原料生产能力的化学活化方法，那将是有益的。涉及在处理过程中避免起泡的现有技术包括用压实的原料丸粒替代颗粒或微粒状的原料。这些丸粒是通过例如对原料混合物进行若干小时的真空干燥和/或向原料混合物添加粘合剂来制得的。然后使这些丸粒活化并将其处理成固体、丸粒状。然而，额外的真空干燥步骤和/或额外的粘合剂组分有增加活性炭生产的成本和/或时间的倾向。因此，如果能够在将腐蚀、团聚、熔化和/或起泡问题降至最低的同时，通过一种更加经济的化学活化途径来提供活性炭材料和用于形成活性炭材料的方法，那将是有益的。所得到的活性碳材料可具有高电容和/或高的表面积:体积比，并且可用于形成能实现高效、长寿命和高能量密度装置的碳基电极。专利技术概述在各种实施方式中，本专利技术涉及活性炭的形成方法，所述方法包括：(a)提供一种包含碳原料、至少一种活化剂和至少一种添加剂的原料混合物，所述活化剂选自碱金属氢氧化物，所述添加剂选自脂肪、油、脂肪酸、脂肪酸酯和多羟基化合物；(b)可选地将所述原料混合物加热至第一温度，且当进行将原料混合物加热至第一温度的步骤时，可选地将所述原料混合物在所述第一温度下保温一段足以使所述至少一种活化剂与所述至少一种添加剂发生反应的时间；(c)可选地对所述原料混合物进行造粒；(d)将所述原料混合物加热至活化温度；以及(e)将所述原料混合物在所述活化温度下保温一段足以形成活性炭的时间。在某些实施方式中，原料混合物中活化剂对碳原料的重量比在大约0.5:1～大约5:1的范围内，而活化剂对添加剂的重量比在大约5:1～大约30:1的范围内。在各种实施方式中，原料混合物可以是碳原料、至少一种活化剂和至少一种添加剂的微粒混合物，例如粉末或颗粒混合物。在一些非限制性的实施方式中，至少一种化学活化剂选自KOH、NaOH和LiOH，而至少一种添加剂选自动物脂肪、植物油、脂肪酸、脂肪酸酯、多元醇、纤维素醚、以及离子和非离子硅油、以及它们的组合。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代表本专利技术的各种实施方式，其旨在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。专利技术详述本专利技术是一种活性炭的形成方法，所述方法包括：(a)提供一种包含碳原料、至少一种活化剂和至少一种添加剂的原料混合物，所述活化剂选自碱金属氢氧化物，所述添加剂选自脂肪、油、脂肪酸和脂肪酸酯；(b)可选地将所述原料混合物加热至第一温度，且当进行将原料混合物加热至第一温度的步骤时，可选地将所述原料混合物在所述第一温度下保温一段足以使所述至少一种活化剂与所述至少一种添加剂发生反应的时间；(c)可选地对所述原料混合物进行造粒；(d)将所述原料混合物加热至活化温度；以及(e)将所述原料混合物在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活性碳的形成方法，所述方法包括：提供一种包含碳原料、至少一种活化剂和至少一种添加剂的原料混合物，所述活化剂选自碱金属氢氧化物，所述添加剂选自脂肪、油、脂肪酸和脂肪酸酯；可选地将所述原料混合物加热至第一温度，且当进行将原料混合物加热至第一温度的步骤时，可选地将所述原料混合物在所述第一温度下保温一段足以使所述至少一种活化剂与所述至少一种添加剂发生反应的时间；可选地对所述原料混合物进行造粒；将所述原料混合物加热至活化温度；以及将所述原料混合物在所述活化温度下保温一段足以形成活性炭的时间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.31 US 61/860,4891.一种活性碳的形成方法，所述方法包括：
提供一种包含碳原料、至少一种活化剂和至少一种添加剂的原料混合物，所述活化剂
选自碱金属氢氧化物，所述添加剂选自脂肪、油、脂肪酸和脂肪酸酯；
可选地将所述原料混合物加热至第一温度，且当进行将原料混合物加热至第一温度的
步骤时，可选地将所述原料混合物在所述第一温度下保温一段足以使所述至少一种活化剂
与所述至少一种添加剂发生反应的时间；
可选地对所述原料混合物进行造粒；
将所述原料混合物加热至活化温度；以及
将所述原料混合物在所述活化温度下保温一段足以形成活性炭的时间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原料混合物是通过对碳原料与所述至少
一种添加剂进行混合，然后加入所述至少一种活化剂来形成的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在大约25℃～大约150℃的温度范围内对所
述原料混合物进行混合。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括通过在大约500℃～950℃的温度范围
内在惰性气氛下使至少一种含碳材料碳化来形成所述碳原料，以及可选地对所述碳原料进
行粉碎、磨粉和/或研磨以形成碳化粉末。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一种活化剂选自KOH、NaOH、LiOH以
及它们的混合物。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一种添加剂选自动物脂肪、植物油
以及它们的混合物。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一种添加剂选自牛油脂、鱼油、鲸
油、肝油、黄油、椰子油、棕榈仁油、棕榈油、肉豆蔻油、橄榄油、大豆油、芝麻油、红花油、亚麻
籽油、蓖麻油、低芥酸菜籽油以及它们的混合物。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脂肪酸选自包含大约2个～大约30个碳
原子的饱和或不饱和脂肪酸以及它们的混合物。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述脂肪酸选自乙酸、丙酸、丁酸、己酸、辛
酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、油酸、亚油...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·G·法根，K·P·加德卡里，A·库马尔，S·O·澳乌苏，K·P·雷迪，
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