活性炭的形成方法技术

使碳颗粒暴露于活化气体中以形成活性炭。在活化前对碳颗粒的形态进行控制。高效的活化可通过使碳颗粒的伸长度最小和使碳颗粒的圆度最大来实现。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请依据35U.S.C.§120要求于2014年2月11日提交的美国专利申请系列号14/177685的优先权，本文以该申请为基础且该申请的全部内容通过引用纳入本文。背景
本专利技术总体上涉及活性炭的形成方法，更具体而言，涉及用于形成具有高能量密度的活性炭的物理活化方法。本文还公开了包含具有这种活性炭的碳基电极的高电压EDLC。技术背景诸如超级电容器的储能装置可用于许多例如需要离散的功率脉冲的应用中。示例性应用的范围包括从手机到混合动力汽车。超级电容器也被称为电双层电容器(EDLC)，其已逐渐成为需要高功率、长保存期限和/或长循环寿命的应用中的电池的替代物或比这种电池更好的产品。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双层中来实现的。这些装置的重要特征在于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。由于活性炭具有大的表面积、电子导电性、离子电容、化学稳定性和/或低成本，因而被广泛用作超级电容器中的多孔材料。活性炭可由例如酚醛树脂的合成的前体材料或例如煤炭和生物质的天然前体材料制得。利用合成和天然前体，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的提高碳的孔隙率以提高其表面积的物理(例如水蒸气)或化学(例如KOH)活化。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KOH的活化剂反应时，可形成腐蚀性的副产物。另外，碳化材料在加热和与化学活化剂反应过程中可能发生相变，所述相变可能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。因此，如果能够在将腐蚀和/或团聚的技术问题降至最低的同时，通过一种更加经济的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。所得到的活性炭材料可具有较高的表面积:体积的比值和最低的反应性，特别是在升高的电压下与有机电解质的反应性，并且可用于形成使装置具有高效、长寿命和高能量密度的碳基电极。
技术实现思路
根据本专利技术的实施方式，一种活性炭的制造方法包括使具有指定形态的碳颗粒暴露于例如蒸汽或二氧化碳的气态活化剂中。可通过控制暴露于活化气体中的碳颗粒的物理特征来影响高效活化以及与之相伴的所得到的活性炭的电容性能的改善。在各种实施方式中，在使碳颗粒暴露于活化气体中的同时在活化温度下加热该碳颗粒以形成活性炭。活化温度可在300℃～1000℃的范围内，例如为300、400、500、600、700、800、900或1000℃，包括上述数值中任意两者之间的范围。活化气体可包括水蒸气、二氧化碳、氧气、空气或它们的混合物。在各种实施方式中，对颗粒的形态进行控制以在总体上使球形、非细长形的颗粒活化。在一种示例性方法中，暴露于活化气体中的碳颗粒的数量加权伸长度(elongation)具有小于或等于0.15的众值(modal value)。在另一种示例性方法中，暴露于活化气体中的碳颗粒的数量加权高灵敏度圆度(high sensitivity circularity)具有大于或等于0.8的中值。在相关的实施方式中，暴露于活化气体中的至少70％(例如至少70、80或90％)的碳颗粒的数量加权高灵敏度圆度大于或等于0.8。在另一种示例性方法中，碳颗粒可兼具众值小于或等于0.15的数量加权伸长度和中值大于或等于0.8的数量加权高灵敏度圆
度。在以下的详细描述中提出了本
技术实现思路
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
技术实现思路
而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本
技术实现思路
的实施方式，用来提供理解要求保护的本
技术实现思路
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主题的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本专利技术的主题的各种实施方式，并与说明书一起对本专利技术的主题的原理和操作进行阐述。此外，附图和说明书仅仅是示例性的，并不试图以任意方式限制权利要求的范围。附图的简要说明当结合以下附图阅读时，能对本专利技术下文的具体实施方式的详细描述有最好的理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：图1是一种示例性的超级电容器的示意图；图2是显示一些实施方式的碳材料的伸长度分布的图；图3是显示一种实施方式的碳材料的高灵敏度圆度分布的图；图4是显示一种实施方式的碳材料的高灵敏度圆度分布的图；图5是显示一种实施方式的碳材料的高灵敏度圆度分布的图；以及图6是显示一种实施方式的碳材料的高灵敏度圆度分布的图。专利技术详述下面将对本专利技术的主题的各种实施方式进行更详细的描述，其中的一些实施方式例示于附图中。在附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的组件。根据各种实施方式，一种活性炭的形成方法包括在使碳颗粒暴露于活化气体中的同时在活化温度下加热该碳颗粒原料。可在例如旋转窑中加热碳颗粒以及使碳颗粒暴露于活化气体中。作为旋转窑的替代方式，替代性的反应室可包括形成碳颗粒的流化分散体。对碳颗粒的形态进行选择以促进高效活化，这能够在提高产量和使成本降到最低的同时提高所得到的活性炭的性质。在一些实施方式中，碳颗粒的数量加权伸长度具有小于或等于0.15的众值。例如，碳颗粒的数量加权伸长度的众值可小于或等于0.15、0.14、0.12、0.10、0.08、0.06、0.04或0.02，包括任意上述数值之间的范围。碳颗粒的数量加权伸长度的众值可为0。或者，碳颗粒的数量加权伸长度的众值可大于0，即0＜E≤0.15。按照本文中的定义，颗粒的伸长度E等于1-(W/L)，其中W是颗粒宽度，L是颗粒长度(W≤L)，0≤E＜1表示E的可能值。因此，圆形颗粒和正方形颗粒(W＝L)的伸长度等于0。伸长度随着颗粒针形度的上升而上升。长度是宽度的三倍的矩形颗粒的伸长度等于0.67，而长度是宽度的十倍的矩形颗粒的伸长度等于0.9。作为控制碳颗粒的伸长度的补充或替代方式，在另一些实施方式中，暴露于活化气体中的碳颗粒可具有中值大于或等于0.8的数量加权高灵敏度圆度。例如，暴露于活化气体中的碳颗粒的高灵敏度圆度的中值可大于或等于0.8、0.85、0.9或0.95，包括任意上述数值之间的范围。在相关的实施方式中，暴露于活化气体中的至少70％(例如至少70、80或90％)的碳颗粒的数量加权高灵敏度圆度大于或等于0.8。碳颗粒的数量加权高灵敏度圆度的中值可小于1，例如0.8≤Ψ＜1。因此在一些实施方式中，大部分的碳颗粒可以是大致球形的，而不是球形的。在另一些实施方式中，颗粒可以是大致球形的，但排除球形颗粒。按照本文中的定义，高灵敏度圆度Ψ等于圆度C的平方(即Ψ＝C2)，其中，测量颗粒密实度的圆度C等于颗粒的等效面积圆的周长与实际周长(周界)的比值，C＝Peq/P，0＜C≤1表示C的可能值。圆的圆度等于1，而正方形的圆度等于大约0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活性炭的形成方法，所述方法包括：在使碳颗粒暴露于活化气体中的同时在活化温度下加热所述碳颗粒以形成活性炭，其中，所述碳颗粒的数量加权伸长度具有小于或等于0.15的众值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.11 US 14/177,6851.一种活性炭的形成方法，所述方法包括：在使碳颗粒暴露于活化气体中的同时在活化温度下加热所述碳颗粒以形成活性炭，其中，所述碳颗粒的数量加权伸长度具有小于或等于0.15的众值。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述伸长度的众值小于或等于0.10。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述伸长度的众值大于0。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳颗粒的数量加权高灵敏度圆度具有大于或等于0.8的中值。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳颗粒的数量加权高灵敏度圆度具有大于或等于0.9的中值。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少70％的所述碳颗粒的数量加权高灵敏度圆度大于或等于0.8。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳颗粒的数量加权高灵敏度圆度具有小于1的中值。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳颗粒具有小于100微米的D50粒度。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳颗粒具有小于10微米的D50粒度。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述暴露在旋转窑中进行。11.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·P·加德卡埃，A·库马，J·刘，
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