专利名称：超级电容器用活性炭的处理方法
技术领域：
本发明涉及超级电容器所用活性炭的处理方法，属于超级电容器制造技术领域。
背景技术：
未来战争对于空间领域的争夺和空间武器的需求，如摧毁或致盲敌方的侦察、通信卫星等所用的激光武器，需大功率密度的能源支持。高寒地带的战略武器运载车辆启动及可靠的发射动力支持，则必需可靠的大功率输出、且具有优良温度特性的储能电源装置。人们环境意识的增强，则使电动汽车或低污染性混合动力汽车作为清洁交通工具接近进入人类的生活；电动车辆在起步，加速过程中对高功率动力的要求使得对电池的要求提高。现有电池难以满足高功率、大容量，快充电的要求。将电化学超级电容器与蓄电池或其它电池配合使用组成复合电池，可以降低对蓄电池相关指标的要求和起到节能的作用。计算机作为现代高技术的象征，已经应用到人类社会的各个领域，超级电容器以其良好的性能非常适合作为计算机系统的备用电源。同时，超级电容器作为铁路、电力和通信系统的不间断电源也有卓越的表现。以碳材料为基础的超级电容器由于其较低的成本和比较优异的性能而使其对于诸如汽车、电信、发动机启动等应用而言，具有重大的现实意义。
近年来，超级电容器作为一种性能卓越的致密能源，成为国际上发达国家(美国、俄罗斯、日本及欧洲国家)材料、电子、化学、物理多学科研究的最活跃的研究领域之一，其目标是制备高比功率、高比容量的致密能源所需的电极材料，宽电化学窗的、导电率高的电解质，进而制备超大功率、超高容量可用于动力用途的大型超级电容器。用活性炭作为超级电容器的活性物质，其比容量是较低的，纯活性炭作为超级电容器的活性物质很难满足其在很多领域的使用，提高超级电容器的比容量就成了当务之急。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种能有效提高超级电容器比容量的超级电容器用活性炭的处理方法。
本发明的技术方案是超级电容器用活性炭的处理方法是将金属离子Al3+、Li+、Zn2+、Cu2+、Tl+、Pb2+中的任一种在活性炭表面进行欠电位沉积，为电化学双层电容器提供法拉第准电容。
上述方法可以在超级电容器KOH电解液中加入浓度为1.0～3.0×10-2mol/LAl3+、1.0～4.0×10-2mol/L Li+、1.0～3.0×10-2mol/L Zn2+、0.5～2.0×10-2mol/LCu2+、1.0～3.0×10-2mol/L Tl+、1.0～2.0×10-2mol/L Pb2+中的任一种离子溶液。也可以用Al3+、Li+、Zn2+、Cu2+、Tl+、Pb2+的任一种修饰活性炭粉，使得活性炭的微孔里沉积该种离子。
其中用Pb2+修饰活性炭粉的方法是用Pb(NO3)2溶液在真空条件下浸泡活性炭，使得Pb(NO3)2溶液完全进入活性炭的微孔里，过滤出来游离的溶液，再加入NaOH溶液，搅拌，使得活性炭的表面上沉积Pb(OH)2，抽滤得到沉积5～30％Pb(OH)2的活性物质。或者用Pb(NO3)2溶液在真空条件下浸泡活性炭，使得Pb(NO3)2溶液完全进入活性炭的微孔里，过滤出来游离的溶液，再加入H2SO4溶液，搅拌，使得活性炭的表面上沉积PbSO4，抽滤得到沉积10～30％PbSO4的活性物质。或者用Pb(NO3)2溶液在真空条件下浸泡活性炭，使得Pb(NO3)2溶液完全进入活性炭的微孔里，过滤出来游离的溶液，再加入H3PO4溶液，搅拌，使得活性炭的表面上沉积Pb3(PO4)2，抽滤得到沉积5～30％Pb3(PO4)2的活性物质。
利用法拉第准电容为双层电容器提高电容的技术是非常有意义的，本发明寻找了能够在活性炭材料表面发生欠电位沉积的金属离子，以提高活性炭电极的比电容，从而增加超级电容器的容量。单体双层电容器以高比表面积材料，如活性炭固/液界面处的双层电容为基础。与传统的电容器类似，电能的储存是以横跨电极/溶液界面的电解质双层内的充电为基础的。当把直流电压施加到电极的界面时，电双层就建立起来储存电能。储存在双层中的电能与电极的表面积成正比，和双层的厚度成反比。电化学双层电容器(EDLC)是包含一对理想极化电极的装置；换句话说，只有在操作电位范围内不发生法拉第反应的那些装置才可以认为是EDLCs，并且所有积聚的电荷都用来形成导体/溶液间的双层。所谓的超级电容，除双电层储电能外，还包括它在电极界面上发生的二维和准二维的法拉第反应，这部分反应使得电能转变为化学能储存在界面。金属离子在电极电位低于可逆的平衡电极电位时才能在电极上还原为金属，而一些金属离子在电极电位正于可逆的平衡电极电位时就会沉积在异种金属的基片上，形成金属单原子层，即所谓欠电位沉积。这个过程不同于一般的沉积过程，形成的是金属原子单层。由于电极/电解质界面的热力学原因，欠电位沉积，如H或Pb在稀有金属上的单层沉积，能够发生在新相的三维沉积之前，所以电极的表面被部分覆盖；这样就形成了电吸收式准电容。
对在理论上可能在活性炭材料表面发生欠电位沉积的金属离子分别在活性炭电极表面进行欠电位沉积，发现了在超级电容器的活性炭电极表面发生欠电位沉积的金属离子，把这种离子加入在超级电容器中为增加容量作出贡献。以Pb为例子来说，Pb2+在电容器体系里会以Pb(OH)2、Pb3(PO4)2或PbSO4形式沉积在负极活性炭的表面上，当电容器进行充放电时负极进行了以下的电化学反应。为电容器工作提供了法拉第准电容。
负极为了防止Pb(OH)2或Pb3(PO4)2溶解在碱性电解液里的Pb2+生成铅晶枝发生短路现象，在电解液体系里加入SO42-。
具体实施例方式
实施例一在超级电容器KOH电解液中加入含2.0×10-2mol/L Al3+的Al(OH)3、含3.0×10-2mol/L Li+的LiOH、含2.0×10-2mol/L Zn2+的ZnO、含1.0×10-2mol/LCu2+的CuSo、含2.0×10-2mol/L Tl+的TlNo3、含1.5×10-2mol/L Pb2+的Pb(Ac)2中的任一种，通过超级电容器充放电活化过程使得金属离子以碱的形式沉积在活性炭的表面上。
实施例二用Al3+、Li+、Zn2+、Cu2+、Tl+、Pb2+中的任一种使用一定的方法修饰活性物质——活性炭粉，使得活性炭的微孔里沉积该种离子。
这里以Pb2+为例子说明处理的方法
(1)用0.7mol/L Pb(NO3)2溶液在真空条件下浸泡活性炭，使得Pb(NO3)2溶液完全进入活性炭的微孔里，过滤出来游离的溶液，再加入7mol/L NaOH溶液，搅拌，使得活性炭的表面上沉积Pb(OH)2，抽滤得到沉积Pb(OH)2的活性物质，最后得到的活性物质中Pb(OH)2占11％，以此制作超级电容器，沉积11％Pb(OH)2时，增加30.5F/g比容量。
(2)用0.7mol/L Pb(NO3)2溶液在真空条件下浸泡活性炭，使得Pb(NO3)2溶液完全进入活性炭的微孔里，过滤出来游离的溶液，再加入1.0mol/L H2SO4溶液，搅拌，使得活性炭的表面上沉积PbSO4，抽滤得到沉积PbSO4的活性物质，最后得到的活性物质中PbSO4占12％，以此制作超级电容器。
(3)用0.7mol/L Pb(NO3)2溶液在真空条件下浸泡活性炭，使得Pb(NO3)2溶液完全进入活性炭的微孔里，过滤出来游离的溶液，再加入1.0mol/L H3PO4溶液，搅拌，使得活性炭的表面上沉积Pb3(PO4)2，抽滤得到沉积Pb3(PO4)2的活性物质，最后得到的活性物质中Pb3(PO4)2占10％，以此制作超级电容器。
权利要求
1.一种超级电容器用活性炭的处理方法，其特征是将金属离子Al3+、Li+、Zn2+、Cu2+、Tl+、Pb2+中的任一种在活性炭表面进行欠电位沉积，为电化学双层电容器提供法拉第准电容。
2.按权利要求1所述的活性炭的处理方法，其特征是在超级电容器KOH电解液中加入浓度为1.0～3.0×10-2mol/L Al3+、1.0～4.0×10-2mol/L Li+、1.0～3.0×10-2ol/L Zn2+、0.5～2.0×10-2mol/L Cu2+、1.0～3.0×10-2mol/L Tl+、1.0～2.0×10-2mol/L Pb2+中的任一种离子溶液。
3.按权利要求1所述的活性炭的处理方法，其特征是用Al3+、Li+、Zn2+、Cu2+、Tl+、Pb2+的任一种修饰活性炭粉，使得活性炭的微孔里沉积该种离子。
4.按权利要求3所述的活性炭的处理方法，其特征是用Pb2+修饰活性炭粉的方法是用Pb(NO3)2溶液在真空条件下浸泡活性炭，使得Pb(NO3)2溶液完全进入活性炭的微孔里，过滤出来游离的溶液，再加入NaOH溶液，搅拌，使得活性炭的表面上沉积Pb(OH)2，抽滤得到沉积5～30％Pb(OH)2的活性物质。
5.按权利要求3所述的活性炭的处理方法，其特征是用Pb2+修饰活性炭粉的方法是用Pb(NO3)2溶液在真空条件下浸泡活性炭，使得Pb(NO3)2溶液完全进入活性炭的微孔里，过滤出来游离的溶液，再加入H2SO4溶液，搅拌，使得活性炭的表面上沉积PbSO4，抽滤得到沉积10～30％PbSO4的活性物质。
6.按权利要求3所述的活性炭的处理方法，其特征是用Pb2+修饰活性炭粉的方法是用Pb(NO3)2溶液在真空条件下浸泡活性炭，使得Pb(NO3)2溶液完全进入活性炭的微孔里，过滤出来游离的溶液，再加入H3PO4溶液，搅拌，使得活性炭的表面上沉积Pb3(PO4)2，抽滤得到沉积5～30％Pb3(PO4)2的活性物质。
全文摘要
一种超级电容器用活性炭的处理方法，其特征是用金属离子Al
文档编号H01G13/00GK1404082SQ0211289
公开日2003年3月19日 申请日期2002年4月18日 优先权日2002年4月18日
发明者唐民洪, 褚德威, 阎智刚, 祝士平 申请人:江苏隆源双登电源有限公司