专利名称：活性炭电极材料的干法室温改性方法
技术领域：
本发明涉及活性炭电极材料的干法室温改性方法，是将一种活性炭材料，利用机械设备 在干法室温情况下，对其颗粒孔径大小、孔径分布、比表面积、以及结晶度加以改变，改性后 的活性炭可用作超级电容器(双电层电容器)的电极材料。
背景技术：
双电层电容器(Electric Double Layer Capacitor,以下简称EDLC)是依靠电化学双电层 原理来实现电荷的释放与储存的，由于具有传统电容器功率密度高和充电电池能量密度大的 优点，对环境无污染，应用温度范围广，被认为是介于充电电池和传统电容器之间的一种清 洁、高效的新型能源器件，既可作为主电源又可用作后备电源，如便携式仪器设备、数据记 忆存储系统、电动玩具、电动自行车、电动汽车和应急后备电源等，尤其与蓄电池联合组成 混合动力系统将解决电动汽车能源的难题。世界上包括我国在内的许多国家也正在加速EDLC 的产业化进程。活性炭是双电层电容器使用最广泛的电极材料，它原料丰富，价格低廉，电 化学稳定性较好，研发技术相对比较成熟。在理论上，活性炭的比电容量可达200-400F/g以 上，但是，现有的双电层电容器所用的活性炭比表面积有限，结晶性和导电性较差，电容漏 电较大，以活性炭为电极的双电层电容器的电容量远未达到理论预期值。
目前，旨在提高活性炭性能的改性方法大多是湿法化学方法，如气、液相氧化处理和活 化处理，以及采用多次活化的方法，都可以不同程度地增加活性炭的表面积和孔隙率，提高 其电化学性能；这些湿法化学改性的方法多以高温、长时间炭化活化工艺为主。例如，美国 专利商标局2007年3月15日公布了一种名为"电容器电极的改性活性炭及其制造方法"的发 明(专利号20070060476)，其中电极材料的改性步骤是碱性溶液处理-硝酸溶液处理-氨 水清洗-干燥-在135。C 950。C温度下热处理。美国专利商标局2007年5月10日还公布了一种名为 "用于活性炭生产的炭化装置"的发明(专利号20070101912)，它主要利用过热蒸汽对 活性炭进行加热活化和炭化处理。中国专利(申请号02130063.1)公布了一种名为"具有 高比电容的成型活性炭电极的制备方法"，它是在活性炭颗粒上负载金属离子，经过高压成 型并在700。C 900。C下高温炭化，从而提高材料的比电容。这些高温氧化预处理、高温碳化处 理、高温活化处理等工艺，虽然对活性炭的微结构和电化学性能有一定的改善，但带来了高 能耗、附加污染和活性炭其它性能的降低。此外，在进行活化处理时，不同的活化温度会形
成不同的表面官能团，而表面官能团的存在对电极的漏电特性、稳定性都有影响，必须进行 再处理。但多次高温活化处理会使活性炭材料收缩，电阻率增大，整体电化学特性变差。另 一方面，这些湿法化学方法产生的排放物还可能对环境产生污染。
发明内容
本发明公开一种活性炭电极材料的干法室温改性方法，其目的在于克服现有技术中，利 用湿法化学方法增加活性炭的表面积和孔隙率，以提高其电化学性能所采用的高温、长时间 炭化活化带来的高能耗、附加污染和活性炭其它性能的降低等弊端。本发明不但可以改善和 优化活性炭的孔结构和结晶性及其导电性，而且可以降低成本，节约资源，不排放污染物。
活性炭电极材料的干法室温改性方法，其特征在于利用滚压振动磨机(国家发明专利， 专利号ZL 99112092. 2)作为活性炭电极材料改性设备；在惰性气体环境、干法和室温条件
下进行的。
具体操作步骤如下
a) 将滚压振动磨机置于手套箱中，封闭出料口，将待加工的活性炭样品和添加剂混合均 匀，由加料口加入磨机筒体内；
b) 用空气过滤网将磨机加料口封闭，再将整个手套箱封闭，利用真空泵将手套箱及振动 磨机筒体抽成真空，然后充入惰性气体。抽气和充气应反复进行，直到整个手套箱中的气氛 完全由惰性气体控制，并且与外部大气压平衡为止；
c) 通过微机设定振动频率和研磨时间并完成全部操作，即得到改性的活性炭电极材料。 所述的惰性气体环境，最好为氮气。
改性的振动频率和研磨时间可以根据原料的颗粒尺度和形貌确定，并由微机程序控制执行。
本发明采用的干法室温是指对整个过程不加水分，不加湿度，而且不加热，不制冷， 保持自然温度。
研究证明，在干法室温条件下，滚压振动磨可以通过对活性炭加载而减小其颗粒粒度， 改变其孔径分布，有效提高中孔(孔径在2-50nm)在材料比表面积中所占的比例，由于中孔 对提高比电容的贡献最大，这种改性方法具有独特的优势。另一方面，这种方法还可以提高 活性炭晶粒的取向性，即提高材料的结晶性，从而改善其导电性。
本发明与现有活性炭改性技术相比，不但能够优化活性炭的孔径分布，而且能够改善活 性炭的结晶性和导电性，实验证明，经过本发明改性的活性炭电极的比容量可达300 F/g以
上，而且随着电流的上升没有明显衰减。本发明操作简便，能耗低，效率高，无附加污染和 后续处理工艺。
图1是本发明活性炭电极材料的干法室温改性方法的操作流程图。
1.氮气源，2.手套箱端盖，3.手套箱，4.手套，5.滚压振动磨机，6.变频器，7.微 机，8.真空泵。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明加以详细说明。
活性炭电极材料的干法室温改性方法，是利用滚压振动磨机作为活性炭电极材料改性设 备；在惰性气体环境、千法和室温条件下进行的。 实施例高比表面积活性炭的改性方法。
如图1所示将滚压振动磨机5置于手套箱3中，封闭出料口，将待加工的活性炭样品 150g由加料口加入滚压振动磨机5的筒体内，并用空气过滤网将磨机加料口封闭。将收集器 皿和手工工具等放入手套箱3中备用，然后盖上手套箱端盖2，并拧紧螺栓，密闭手套箱3， 启动真空泵8，将手套箱3及滚压振动磨机5抽真空，使真空压力的大小达到一个大气压左右 为止。然后打开氮气源1的阀门，向手套箱3内充入氮气，如此反复进行抽气一充气，直到 整个系统完全在氮气气氛控制下，且内部压力与外部大气压平衡为止；通过微机7设定所需 的振动频率和研磨时间，并发出运行指令，经过变频器6使系统按照规定频率运行。通过手 套4可以采集产物样品，还可以对滚压振动磨机5的状态进行微调或修正；最终得到改性的 活性炭电极材料。制备收集过程中几乎没有样品材料的损耗，经过改性的活性炭材料粒度在 50nm以内，比表面积达3600m2/g，且中孔在比表面积中的比例显著增加，结晶性和导电性得 到显著提高。
权利要求
1.活性炭电极材料的干法室温改性方法，其特征在于利用滚压振动磨机(国家发明专利，专利号ZL 99112092.2)作为活性炭电极材料改性设备；在惰性气体环境、干法和室温条件下进行。
2. 根据权利要求1所述的活性炭电极材料的干法室温改性方法，其特征在于按如下步骤进 行a) 将滚压振动磨机置于手套箱中，封闭出料口，将待加工的活性炭样品由加料口加入磨 机筒体内；b) 用空气过滤网将磨机加料口封闭；再将整个手套箱封闭，利用真空泵将手套箱及振动 磨机筒体抽成真空，然后充入惰性气体；抽气和充气应反复进行，直到整个手套箱中 的气氛完全由惰性气体控制，并且与外部大气压平衡为止；c) 通过微机设定振动频率和研磨时间并完成全部操作，即得到改性的活性炭电极材料。
3. 根据权利要求1所述的活性炭电极材料的干法室温改性方法，其特征在于所述的惰性气体环境，最好为氮气。
4. 根据权利要求1所述的活性炭电极材料的干法室温改性方法，其特征在于改性的振动频 率和研磨时间可以根据原料的颗粒尺度和形貌确定，并由微机程序控制执行。
全文摘要
活性炭电极材料的干法室温改性方法，利用滚压振动磨机作为改性设备；在惰性气体环境、干法和室温条件下按如下步骤进行a)将滚压振动磨机置于手套箱中，封闭出料口，将待加工的活性炭样品由加料口加入磨机筒体内；b)用空气过滤网将磨机加料口封闭，再将整个手套箱封闭，利用真空泵将手套箱及振动磨机筒体抽成真空，然后充入惰性气体。抽气和充气应反复进行，直到整个手套箱中的气氛完全由惰性气体控制，并且与外部大气压平衡为止；c)根据原料的颗粒尺度和形貌，通过微机设定并控制所需的振动频率和研磨时间。本发明能优化活性炭的孔径分布，改善活性炭的结晶性和导电性，操作简便，能耗低，效率高，无附加污染和后续处理工艺。
文档编号H01G9/155GK101362597SQ20071004474
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月9日 优先权日2007年8月9日
发明者吴明霞, 李生娟, 王树林 申请人:上海理工大学