用来形成高能量密度超级电容器的活性炭材料的方法技术

一种制造活性炭材料的方法包括：形成天然非木质纤维素碳前体和无机化合物的水性混合物,在惰性或还原性气氛中对所述混合物进行加热，使加热后的混合物冷却，以形成第一碳材料，除去所述无机化合物，从而制得活性炭材料。所述活性炭材料适合于形成改进的碳基电极，用于高能量密度器件。

【技术实现步骤摘要】
用来形成高能量密度超级电容器的活性炭材料的方法优先权本申请要求2008年12月15日提交的题为“用来形成高能量密度超级电容器的活性炭材料的方法(MethodsForFormingActivatedCarbonMaterialforHighEnergyDensityUltracapacitors)”的美国专利申请第12/335,078号的优先权。背景和概述本专利技术涉及碳基电极，更具体来说，涉及多孔活性炭材料，以及制备用于制造所述电极的活性炭材料的方法。本专利技术还涉及包括碳基电极的高功率密度的储能器件。超级电容器之类的储能器件可以用于许多需要离散的功率脉冲的用途。这些用途包括手机到混合动力汽车。超级电容器的一个重要的特征是其能够提供的能量密度。所述器件可以包括被多孔隔片和/或有机电解质分隔的两个或更多个碳基电极，所述器件的能量密度大多由碳基电极的性质决定。适合于结合入高能量密度器件中的碳基电极是人们已知的。例如，形成所述电极的基础的高性能碳材料可以由合成酚醛树脂前体制备。但是，由于合成树脂的成本高，所述碳基电极的成本可能是高的。因此，提供能够用来形成可实现更高能量密度器件的碳基电极的更经济碳材料是有利的。根据本专利技术的一个方面,适合于结合入用于超级电容器和其他高功率密度的储能器件的碳基电极中的活性炭材料源自天然的非木质纤维素材料。通过使用非木质纤维素材料作为多孔活性炭材料的前体，可以形成经济上可行的大功率的高能量密度器件。在本文中，除非另有清楚的说明，“天然的非木质纤维素碳前体”表示至少一种天然的非木质纤维素碳前体。同样,“无机化合物”表示至少一种无机化合物。根据本专利技术的另一个方面，通过以下方式制备活性炭材料：形成天然非木质纤维素碳前体和无机化合物的水性混合物,在惰性或还原性气氛中对所述水性混合物进行加热，以使所述碳前体碳化,以及除去所述无机化合物，从而制得活性炭材料。根据本专利技术的又一个方面，通过以下方式制备活性炭材料：在惰性或还原性气氛中对天然的非木质纤维素碳前体进行加热，形成第一碳材料,将所述第一碳材料与无机化合物混合，形成水性混合物，在惰性或还原性气氛中对所述水性混合物进行加热，以将所述无机化合物结合入所述第一碳材料中,从所述第一碳材料除去所述无机化合物，从而制得多孔活性炭材料。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就容易看出，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提出了本专利技术的实施方式，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。附图简要说明图1A和1B是显示源自木质纤维素碳前体的比较碳材料的SEM显微图象；图2是显示源自天然的非木质纤维素碳前体的本专利技术碳材料的SEM显微图象。专利技术详述一种制备活性炭材料的方法包括：形成天然非木质纤维素碳前体和无机化合物的水性混合物,在惰性或还原性气氛中对所述水性混合物进行加热，以使所述碳前体碳化,以及从所述碳化的碳前体除去所述无机化合物。另一种制备活性碳材料的方法包括：在惰性或还原性气氛中对天然的非木质纤维素碳前体进行加热，形成第一碳材料,将所述第一碳材料与无机化合物混合，形成混合物,对所述混合物进行加热，以将所述无机化合物结合入所述第一碳材料中，以及从所述第一碳材料除去所述无机化合物。较佳的是,所述混合步骤可以包括将所述第一碳材料与所述无机化合物的水性混合物相混合。根据上述任意方法形成的多孔活性炭材料适合于形成用于高能量密度器件的碳基电极。在混合过程中，所述无机化合物可以结合入所述天然的非木质纤维素碳前体或者所述第一碳材料的结构中。在一种方法中，首先将所述无机化合物溶解在溶剂中，例如溶解在水中。然后将包含无机化合物的混合物与所述天然的非木质纤维素碳前体或第一碳材料混合，使得所述混合物老化一段能够有效地将所述无机化合物结合入所述天然的非木质纤维素碳前体或所述第一碳材料中的时间。所述混合物可以老化0.5,1,2,4,8小时或更久(例如0.5-8小时)。所述非木质纤维素碳前体和所述无机化合物可以以任意合适的比例混合。以重量百分数表示，天然的非木质纤维素碳前体与无机化合物的比例可以约为10:1至1:10。非限制性的示例性的比例包括9:1,8:1,7:1,6:1,5:14:1,3:1,2:1,1:1,1:2,1:3,1:4,1:5,1:6,1:7,1:8和1:9。根据一个实施方式，无机化合物与天然的非木质纤维素碳前体的比例大于或等于1(例如10:1,9；1,8:1,7:1,6:1,5:1,4:1,3:1,2:1或1:1)。类似地，所述第一碳材料和无机化合物可以以任意合适的比例混合。以重量百分数表示，天然的非木质纤维素碳前体与无机化合物的比例可以约为10:1至1:10(例如9:1,8:1,7:1,6:1,5:14:1,3:1,2:1,1:1,1:2,1:3,1:4,1:5,1:6,1:7,1:8或1:9)。在将所述无机化合物结合入所述天然的非木质纤维素碳前体中的实施方式中,将所述(任选老化的)混合物在能够有效地使碳前体碳化的温度下加热。可以在惰性气氛或还原性气氛中对所述混合物进行加热。可以在约600-900℃的温度(例如600,650,700,750,800,850或900℃)对所述混合物加热预定的时间(例如0.5,1,2,4,8小时或更久)，然后进行冷却。在此加热步骤中，所述天然的非木质纤维素碳前体分解并形成碳。在将所述无机化合物结合入所述第一碳材料中的实施方式中，所述混合物在能够有效地将所述无机化合物结合入所述第一碳材料中的温度下进行加热。所述混合物可以在约300-850℃的温度加热预定的时间(例如0.5,1,2,4,8小时或更久)，然后冷却。在冷却之后，在溶剂中对包括结合入其中的无机化合物的碳材料进行漂洗，从而除去所述无机化合物。一种优选的用来提取无机化合物的溶剂是水。任选地，所述提取溶剂可以包括酸。一种用来除去无机化合物的方法包括顺序地用水和酸漂洗所述碳材料。另一种用来除去无机化合物的方法包括用水性酸混合物(例如酸和水的混合物)漂洗所述碳材料。在提取过程中使用的酸可以包括盐酸。所述提取无机化合物的过程形成了多孔活性炭材料,所述孔由以前被无机化合物填充的体积限定。本专利技术还涉及根据上述任意一种方法制得的多孔活性炭材料。使用本专利技术方法制得的碳材料的比表面积可以约大于300米2/克,即大于350,400,500或1000米2/克。一种制造碳基电极的方法包括：形成天然非木质纤维素碳前体和无机化合物的水性混合物,在惰性或还原性气氛中对所述水性混合物进行加热，以使所述碳前体碳化,从所述碳化的前体除去所述无机化合物，以及由所得的多孔活性炭材料形成碳基电极。另一种制造碳基电极的方法包括：在惰性或还原性气氛中对天然的非木质纤维素碳前体进行加热，形成第一碳材料,将所述第一碳材料与无机化合物混合，形成混合物,对所述混合物进行加热，以将所述无机化合物结合入所述第一碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造活性炭材料的方法，其包括：形成天然的非木质纤维素碳前体和无机化合物的水性混合物；在惰性或还原性气氛中对所述水性混合物进行加热，以形成第一碳材料；以及从所述第一碳材料除去无机化合物，从而制得活性炭材料。

【技术特征摘要】
2008.12.15 US 12/335,0781.一种制造活性炭材料的方法，其包括：形成天然的非木质纤维素碳前体和无机化合物的水性混合物；在惰性或还原性气氛中对所述水性混合物进行加热，以形成第一碳材料；以及从所述第一碳材料除去无机化合物，从而制得活性炭材料。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非木质纤维素碳前体选自：小麦粉,胡桃粉,玉米粉,米粉,马铃薯粉,杏仁壳,咖啡渣,马铃薯,甜菜,小米,大豆,油菜,大麦和棉花。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机化合物选自碱金属氢氧化物,碱金属氯化物,磷酸,氯化钙和氯化锌。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水性混合物中无机化合物与非木质纤维素碳前体的重量比约为5:1至1:5。5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：在所述加热步骤之前，对所述水性混合物老化约0.5-8小时的老化时间。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热步骤包括在约600-900℃的温度对混合物进行加热。7.一种制造碳基电极的方法，所述方法包括：形成天然的非木质纤维素碳前体和无机化合...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·P·加德卡里，J·F·麦齐，
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