一种制备全海藻固态超级电容器的方法及其产品技术

本发明专利技术属于超级电容器制备相关技术领域，并公开了一种制备全海藻固态超级电容器的方法，包括：将褐藻洗净干燥并剪成碎片备用；将褐藻碎片进行碳化和活化处理，获得褐藻活性碳；对褐藻进行提取制得海藻酸钠；将褐藻活性碳作为活性材料、将海藻酸钠作为粘结剂制备褐藻活性碳电极，同时将海藻酸钠制备成凝胶电解质和隔膜，由此组装为最终的全海藻固态超级电容器。通过本发明专利技术，可获得具备优良电化学特性、具有生物相容性、安全稳定和绿色环保的电化学储能器件。该全海藻固态超级电容器不但适用于超级电容器传统应用领域，尤其适用于可植入式医疗设备、电子皮肤、可穿戴电子设备等对人体安全性要求高的前沿应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种制备全海藻固态超级电容器的方法及其产品
本专利技术属于超级电容器制备相关
，更具体地，涉及一种制备全海藻固态超级电容器的方法。
技术介绍
超级电容器作为一种新型储能装置，具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器一般由正、负电极，隔膜和电解质组成，电解质包括：水系电解液、有机电解液、离子液体电解液和固体电解质。商业超级电容器使用的电解质通常是液态电解质，并且为了获得更宽的电压窗口，一般会使用有机溶剂溶解离子化合物，这些溶剂大多易燃且有毒性。此外，液态电解质易发生泄漏，且酸性或碱性的水系电解质具有腐蚀性，严重影响超级电容器的安全性。与之相比，固体电解质则具有更好的安全性和可靠性。因此，使用绿色环保、低成本的固态电解质取代液态电解质，是超级电容器未来发展的必然趋势。近年来随着环保意识的增强，提出了一些利用生物碳源作为原料合成活性碳的思路，例如木材、农作物秸秆、植物果壳等。2009年，首次报道了采用海藻作为原材料来制备多孔碳的方案，但这种直接碳化的海藻碳并不具备足够多的孔径，导致在大电流密度下的电荷传递受到较大的制约。此外，CN103086352A中公开了一种超级电容器用石墨化多孔碳的制备方法，其中首先将活化处理后的海藻碳加入过渡金属盐溶液中，获得中间产物；然后将该中间产物过滤、改造及高温煅烧和酸洗处理，由此得到最终产物的石墨化多孔碳。然而，进一步的研究表明，一方面该方案必需进行多次高温煅烧工序，相应存在制备工艺复杂、质量难以控制和制备效率偏低的问题；另一方面，该方案仅仅针对采用石墨化多孔碳来制备电极材料的思路提出了初步探索，但并未对应如何构建相应的超级电容器体系给出进一步的研究和设计。相应地，本领域亟需寻找更为完善的解决方案，以便更好地满足利用生物碳源来更好地制备全固态超级电容器的工艺要求。
技术实现思路
针对现有技术的以上不足或改进需求，本专利技术提供了一种制备全海藻固态超级电容器的方法，其中通过采用褐藻作为超级电容器多个核心的同一原材料，相应在构建全固态超级电容器组成体系的同时，还可获得具备优良电化学特性、安全稳定和绿色环保的储能器件；此外，本专利技术还对整个制备过程的工艺路线及其关键参数进行了进一步的针对性研究和设计，由此可获得超高比表面积和孔隙体积的褐藻活性碳，由其组装的器件具备能量密度高、循环稳定性好等优点，因而尤其适用于大批量规模化工业应用场合。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种制备全海藻固态超级电容器的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(i)对褐藻原材料的处理将褐藻采用去离子水洗净和干燥处理，然后将其剪成碎片备用；(ii)褐藻活性碳的制备选取一部分褐藻碎片，将其放置于惰性气体作为保护气氛的管式炉中进行热解碳化处理；接着，以强碱作为活化剂，继续在所述管式炉中惰性气氛下进行活化处理，然后用酸和去离子水对所得到的活性碳产物进行洗涤、抽滤和干燥处理，由此获得比表面积为4400m2/g的褐藻活性碳材料；(iii)海藻酸钠的制备褐藻切碎加入热的纯碱溶液中，过滤并保留滤液，然后将其加入CaCl2溶液并过滤得到海藻酸钙沉淀；往此海藻酸钙沉淀中加入NaCl溶液置换成海藻酸钠，然后过滤、干燥得到海藻酸钠；(iv)全海藻固态超级电容器的组装将步骤(ii)所获得的褐藻活性碳材料作为活性材料，同时将步骤(iii)所制得的海藻酸钠作为粘结剂，采用涂料浆法在金属集流体上制得褐藻活性碳电极；此外，将步骤(iii)所制得的海藻酸钠加入少量去离子水，制备成海藻酸钠凝胶电解质，继而将凝胶制备成隔膜，并将其与所述褐藻活性碳电极组装成对称结构的固态超级电容器，由此获得所述的全海藻固态超级电容器。作为进一步优选地，在步骤(i)中，所述干燥处理的温度优选为70℃～120℃；所述碎片优选为1cm2～2cm2。作为进一步优选地，在步骤(ii)中，对于所述热解碳化处理而言，其中初始碳化温度被设定为600℃～800℃，进一步优选为600℃，升温速率为5℃/min～10℃/min，碳化时间为1h～3h；对于所述活化处理而言，其初始活化温度被设定为700℃～800℃，进一步优选为750℃，升温速率为5℃/min～10℃/min，活化时间为1h～3h。作为进一步优选地，在步骤(ii)中，所述惰性气体为氮气、氦气或氩气中的一种，并且该惰性气体的气流量优选被设定为200mL/min～300mL/min。作为进一步优选地，在步骤(iv)中，以海藻酸钠构成的所述褐藻活性碳电极粘结剂的质量百分比优选被设定为4％～10％；以海藻酸钠为凝胶电解质的摩尔浓度优选被设定为0.1mol/L～0.2mol/L。按照本专利技术的另一方面，还提供了相应的全海藻固态超级电容器产品。按照本专利技术的另一方面，包括了相应的褐藻活性炭的制备过程。作为进一步优选地，该褐藻活性炭的孔径主要分布在1nm～5nm的微孔或中孔范围内，空隙体积为3.41cm3/g以上。按照本专利技术的又一方面，还提供了一种全海藻固态超级电容器的制备方法，其包括对称的褐藻活性炭电极、以及在电极之间的固态电解质和隔膜，其特征在于：该电极以褐藻活性碳作为活性材料，并以海藻酸钠作为粘结剂；其中所述褐藻活性碳由褐藻进行热解碳化和活性处理而获得；此外，该固态凝胶电解质和隔膜全部由海藻酸钠制成。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1、本专利技术中通过以褐藻制得的活性碳作为电极活性材料、由褐藻提取的海藻酸钠分别作为粘结剂和电解质，在构建全固态超级电容器组成体系的同时，还可获得全海藻的固态超级电容器储能器件；而且所获得的电容器与传统超级电容器或其他类型固态电容器相比具备电化学特性优异、安全性高、低成本和便于制备等优点，此外还可实现超级电容器所有构成单元均具备绿色、环保、可再生、无毒无害的特点；2、较多的实际测试表明，本专利技术所制得的超级电容器的电极活性材料具备超高的比表面积，可达4400m2/g以上，远超目前商业活性碳材料(1500～2000m2/g)；而且其孔径主要分布在微/介孔范围(1～5nm)，孔隙体积高达3.41cm3/g以上；该全海藻固态超级电容器不仅具有高的比电容(277F/g以上)，极好的倍率性能、电容保持率和充放电循环稳定性，而且其电容值和功率特性媲美于甚至超过以液态的水系溶液或有机溶液为电解质的超级电容器；3、本技术专利技术以单一的褐藻为原料，通过简单的工艺步骤既能合成电极材料，又能合成制备电极所需的粘结剂，电解质和隔膜材料，无需额外购买粘结剂，电解质和隔膜，成本低；此外，在整个工艺中以去离子水为唯一溶剂，对环境友好。因此该技术专利技术格外适用于商业化的大规模生产，具有极好的商业应用前景；4、按照本专利技术的全海藻固态超级电容器由于其独特的安全性和稳定性，可与人体相容等特性，因此除了传统的应用领域，还适用于可植入式医疗设备、电子皮肤、可穿戴电子设备等对人体安全性要求高的前沿应用领域。附图说明图1是按照本专利技术所构建的制备全海藻固态超级电容器的工艺流程示意图；图2是按照本专利技术所构建的全海藻固态超级电容器的组成结构示意图。图3a是以实施例1所制得的样品为例，显示按照本专利技术所制得的褐藻活性碳的SEM图；图3b是以实施例1所制得的样品为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备全海藻固态超级电容器的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(i)对褐藻原材料的处理将褐藻采用去离子水洗净和干燥处理，然后将其剪成碎片备用；(ii)褐藻活性碳的制备选取一部分褐藻碎片，将其放置于惰性气体作为保护气氛的管式炉中进行热解碳化处理；接着，以强碱作为活化剂，继续在所述管式炉中惰性气氛下进行活化处理，然后用酸和去离子水对所得到的活性碳产物进行洗涤、抽滤和干燥处理，由此获得比表面积为4400m

【技术特征摘要】
1.一种制备全海藻固态超级电容器的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(i)对褐藻原材料的处理将褐藻采用去离子水洗净和干燥处理，然后将其剪成碎片备用；(ii)褐藻活性碳的制备选取一部分褐藻碎片，将其放置于惰性气体作为保护气氛的管式炉中进行热解碳化处理；接着，以强碱作为活化剂，继续在所述管式炉中惰性气氛下进行活化处理，然后用酸和去离子水对所得到的活性碳产物进行洗涤、抽滤和干燥处理，由此获得比表面积为4400m2/g的褐藻活性碳材料；(iii)海藻酸钠的制备褐藻切碎加入热的纯碱溶液中，过滤并保留滤液，然后将其加入CaCl2溶液并过滤得到海藻酸钙沉淀；往此海藻酸钙沉淀中加入NaCl溶液置换成海藻酸钠，然后过滤、干燥得到海藻酸钠；(iv)全海藻固态超级电容器的组装将步骤(ii)所获得的褐藻活性碳材料作为活性材料，同时将步骤(iii)所制得的海藻酸钠作为粘结剂，采用涂料浆法在金属集流体上制得褐藻活性碳电极；此外，将步骤(iii)所制得的海藻酸钠加入少量去离子水，制备成海藻酸钠凝胶电解质，继而将凝胶制备成隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏璐，郭新，曾娟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42