碳的微波能辅助的化学活化的制作方法
【专利说明】碳的微波能辅助的化学活化
[0001] 相关申请交叉参考
[0002] 本申请根据35U.S.C. §120,要求2012年8月21日提交的美国申请系列第 13/590, 568号的优先权，本文W该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
【背景技术】
[0003]本发明一般地设及形成活性碳的方法，更具体地，设及采用多次、离散加热步骤 的、微波能辅助的、碳的化学活化。
[0004]超级电容器之类的储能装置可用于许多需要离散的功率脉冲的应用。示例性应用 的范围包括从手机到混合动力汽车。超级电容器通常包含夹在一对碳基电极之间的多孔隔 膜和有机电解质。能量的储存是通过将电荷分离并储存在电解质与电极之间的界面处产生 的电化学双电层中来实现的。该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在很大程度上都取决于电极中所结合的碳的性质。
[0005]已知适合将碳基电极结合入能量存储装置中。形成电极的基础的活性碳可由天然 或合成前体材料制成。天然前体材料包括煤、坚果壳和生物质。合成前体材料通常包括酪类 树脂。无论是天然前体还是合成前体，活性碳均可通过先使得前体碳化，然后使得中间产物 活化来形成。活化可W包括在提升的温度下的化学活化或者物理活化（例如，蒸汽或C〇2)， W增加孔隙率进而增加碳的表面积。
[0006]物理和化学活化过程通常都设及大的热衡算，W对碳化的材料进行加热并与活化 剂发生反应。在化学活化的情况下，当对碳化的材料进行加热并与化学活化剂（例如K0H) 发生反应时，会形成腐蚀性副产物。该会增加整体工艺的复杂度和成本，特别是对于在提升 的温度下进行延长的时间段的反应。
[0007]因此，提供活性碳材料和采用更经济的化学活化路径来形成活性碳材料的方法会 是有利的。所得到的活性碳材料可具有高的表面积：体积比，并且可用于形成实现高效、长 寿命和高能量密度装置的碳基电极。
【发明内容】
[000引一种用于形成活性碳的方法，所述方法包括；提供碳原料，将碳原料与化学活化剂 混合W形成原料混合物，将原料混合物引入微波反应室中，采用微波能、采用多个加热步骤 在各个加工温度下对原料混合物进行加热，W及使得碳原料与化学活化剂反应W形成活性 碳。在加热步骤之后，可W对活性碳进行水泽冷，W对活性碳进行冷却和清洗。
[0009]各个加热步骤包括将原料材料维持在加工温度，持续一段确定的时间。通过在工 艺中结合多个加热步骤，可W控制碳原料与化学活化剂之间的反应。在一些实施方式中，连 续进行多个加热步骤而没有将碳原料降低至室温，直至工艺完成。
[0010] 在W下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，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W下详细描述、权利 要求书W及附图在内的本文所述的本发明而被认识。
[0011] 应理解，前面的一般性描述和W下的详细描述都提出了本发明的实施方式，目的 是提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发 明的进一步的理解，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 发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。
[0012] 附图简要说明
[0013] 结合W下附图阅读本发明，便可W最好地理解下文中的发明详述，图中相同的结 构用相同的编号表不：
[0014]图1是对于示例性原料混合物，耗散因数与温度的关系图；
[0015] 图2A和2B显示多模微波腔（A)和变频微波腔炬）内的能量和温度分布图；
[0016]图3是用于在微波反应器内形成活性碳的一种示例性相锅设计；
[0017] 图4是根据本发明的一个实施方式，用于制备活性碳的微波反应器的示意图；
[0018]图5A和5B是根据本发明的另一个实施方式，用于制备活性碳的微波反应器的示 意图；
[0019]图6是根据本发明的另一个实施方式，用于制备活性碳的微波反应器的示意图；
[0020]图7所示是根据一个实施方式的多个加热步骤的温度和微波功率与时间的关系 图；
[0021] 图8是对于比较工艺的炉温和炉设定点与时间的关系图；
[0022] 图9所示是根据另一个实施方式的多个加热步骤的温度和微波功率与时间的关 系图；W及
[0023] 图10是一个示例性超级电容器的示意图。
【具体实施方式】
[0024] 一种用于从碳原料制造活性碳的方法，所述方法包括；提供碳原料，将碳原料与化 学活化剂混合W形成原料混合物，将原料混合物引入微波反应室中，通过将微波引入反应 室中，W采用微波能对原料混合物进行加热，使得碳原料与化学活化剂反应W形成活性碳， W及对活性碳进行冷却。加热行为包括在连续的加工温度和各个保持时间下的多个加热步 骤。
[0025] 根据一些实施方式，碳原料可包括碳化的材料，例如煤或者源自碳前体的碳化的 材料。示例性的碳前体包括天然材料（例如，坚果壳、木材、生物质等）W及合成材料（例 如，酪类树脂，包括聚（己締醇）、聚（丙締膳）等）。例如，碳前体可W包括可食用谷物，例 如小麦粉、胡桃粉、玉米粉、玉米淀粉、米粉和马铃馨粉。其他碳前体材料包括挪子壳、甜菜、 粟、大豆、大麦和棉花。碳前体可W源自作物或植物，所述作物或植物可W是转基因的，也可 W不是转基因的。
[0026] 其他示例性碳前体材料和形成碳原料的相关方法如共同拥有的美国专利申请第 12/335, 044号、第12/335, 078号、第12/788, 478号和第12/970, 073号所述，它们全文通过 引用结合入本文。
[0027] 可W通过在惰性或还原气氛中加热，使得碳前体材料被碳化W形成碳原料。示例 性的惰性或还原气体和气体混合物包括氨气、氮气、氨气、氮气和氣气中的一种或多种。在 一个示例性过程中，可W在约500-950 °C的温度（例如500、550、600、650、700、750、800、 850、900或者950°C)对碳前体加热预定的时间（例如0. 5、1、2、4、8小时或更久），然后任 选地进行冷却。在碳化过程中，碳前体可W被还原或者分解W形成碳原料。在一些实施方式 中，可W采用常规炉或者通过采用微波能在微波反应室内加热，来进行碳化。例如，碳前体 可W暴露于微波能，从而在微波反应室内对其进行加热并还原成炭，W形成碳原料，然后将 所述碳原料与化学活化剂结合W形成原料混合物，然后将所述原料混合物暴露于微波能， W加热原料混合物并形成活性碳。
[0028] 考虑可W使用单个碳前体材料或者前体材料的特定组合，W优化活性碳产品的性 质，并且可W采用微波能将所述前体材料自身转化成碳原料，W间歇或连续的方式进行，采 用类似于用于形成活性碳所述的那些方法。
[0029] 可W通过对碳原料进行礙磨或研磨来制备适合活化的碳原料的颗粒。例如，在与 化学活化剂结合并引入到微波反应室之前，可W将碳原料礙磨至小于100微米（例如，小于 100、50、20或者10微米）的平均粒度。在一些实施方式中，碳原料可具有约5、10、20、50或 者100微米的平均粒度。在其他实施方式中，碳原料的粒度范围可W是5-10微米、5-20微 米、10-20微米、5-50微米、10-50微米或者20-50微米。
[0030] 在活化之前，碳原料（例如，碳原料的颗粒）与化学活化剂结合。所述化学活化剂 可W包括无机材料，例如H3PO4、化0H、化2〇)3、化C1、MgCla、K0H、AICI3、？2〇5、K2CO3、KC1和 / 或 &lCl2。
[0031] 在一些实施方式中，碳原料可W与化学活化剂的溶液结合。如果使用溶液，优选是 水性溶液，并且溶液中化学活化剂的浓度范围可W约为10-90重量％。包含碳原料和化学 活化剂的溶液的原料混合物可W促进活化之前原料与化学活化剂的分子水平的混合。该分 子水平的混合物可W有助于形成均匀的活性碳，所述均匀的活性碳包括物理特性的均匀分 布，包括孔径、孔径分布、孔结构等。在其他实施方式中，碳原料可W与化学活化剂结合，W 形成干的原料混合物，即没有使用任意液体或溶剂。
[0032] 碳原料和化学活性剂可W任意合适的比例结合，W形成原料混合物。合适的比例 的具体值可取决于，例如，碳前体和化学活化剂的物理形式，W及浓度（如果