改性活性炭及其制备方法和应用与流程

本发明属于电池技术领域，具体而言，本发明涉及改性活性炭及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器作为新型储能元件具有广阔的应用前景及巨大的经济价值。能量密度和功率密度是衡量电容器性能的主要指标，而电极材料的性质是决定电容器能量密度、功率密度等电化学性能的关键。活性炭是超级电容器电极的首选材料，对活性炭电极材料来说，活性炭的比表面积、孔径分布和表面性质是影响超级电容器电化学性能的重要因素，提高活性炭的比表面积及利用率可以提高电容器的能量密度；优化孔径则有利于提高电容器的功率密度；采用新型的活化工艺或表面改性处理，改变活性炭的表面性质也会对超级电容器的电化学性能产生重要影响。但现有的研究成果还不理想，为了进一步提高电容器的性能，加快其推广应用的步伐，开发集各种优良性能于一体、且具有实用价值的新型活性炭电极材料仍是广大研究者追求的目标。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种改性活性炭及其制备方法和应用，该改性活性炭作为锂电池的正极材料时，可使得锂离子快速传输到活性炭表面，提高活性物质利用率，进而大幅提升正极比容量和功率密度。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备改性活性炭的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)将氧化石墨烯与微藻在溶剂中进行混合，干燥后，得到复合前驱体；

(2)将所述复合前驱体与活化剂进行混合，以便得到混合物料；

(3)将所述混合物料进行高温活化，以便获得改性活性炭。

根据本发明实施例的制备改性活性炭的方法，通过采用氧化石墨烯对微藻进行改性，氧化石墨烯可与微藻中炭通过稳定的共价键结合成一体化材料，氧化石墨烯的片层结构搭建成具有开放式孔结构的三维网络，而炭颗粒穿插在氧化石墨烯的片层之间防止氧化石墨烯团聚，然后将含有复合前驱体和活化剂的混合物料经过高温活化，使得微藻与活化剂发生剧烈反应，促进了挥发分的分解，在炭表面留下丰富的孔隙，即活化微藻得到活性炭，所得到的改性活性炭作为锂电池的正极材料时，可使得锂离子快速传输到活性炭表面，提高活性物质利用率，进而大幅提升正极比容量和功率密度。

另外，根据本发明上述实施例的制备改性活性炭的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述溶剂选自去离子水和无水乙醇中的至少之一。由此，有利于提高改性活性炭的品位。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述微藻与所述溶剂的质量比为1：(5～10)。由此，可进一步提高改性活性炭的品位。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述氧化石墨烯为所述微藻质量的0.01％～5％。由此，可进一步提高改性活性炭的品位。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述微藻为选自黄丝藻、小球藻、螺旋藻和褐藻中的至少之一。由此，可进一步提高改性活性炭的品位。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述复合前驱体与所述活化剂的混合质量比为1:(2～5)。由此，可进一步提高改性活性炭的品位。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述活化剂为可溶性铁盐的一种或其组合，优选为氯化铁和硝酸铁中的至少之一。由此，可进一步提高改性活性炭的品位。

在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，所述高温活化是在600～1200摄氏度下进行1～12小时。由此，可进一步提高改性活性炭的品位。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种改性活性炭。根据本发明的实施例，所述改性活性炭是采用上述制备改性活性炭的方法制备得到的。由此，该改性活性炭具有由氧化石墨烯片层结构搭建成的开放式孔结构的三维网络及穿插在氧化石墨烯片层之间的活性炭颗粒，从而可避免石墨烯团聚，并且该改性活性炭作为锂电池的正极材料时，可使得锂离子快速传输到活性炭表面，提高活性物质利用率，进而大幅提升正极比容量和功率密度。

在本发明的又一个方面，本发明提出了一种锂电池。根据本发明的实施例，所述锂电池的正极是采用上述的改性活性炭制备得到的。由此，可使得锂离子能够快速传输到活性炭表面，提高活性物质的利用率，从而大幅提升正极比容量和功率密度，进而提高锂电池的使用寿命。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的制备改性活性炭的方法流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备改性活性炭的方法。根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括：

s100：将氧化石墨烯与微藻在溶剂中进行混合

该步骤中，将氧化石墨烯与微藻在溶剂中进行混合，以便得到复合前驱体。具体的，将氧化石墨烯与微藻在溶剂中混合后进行蒸干，得到粉末状的复合前驱体。发明人发现，微藻中炭比表面积大，孔多，而氧化石墨烯尺寸很小，容易通过物理吸附吸附在炭上，并且微藻中炭和氧化石墨烯表面都有含氧基团，基团之间形成氢键之类的键合作用。由此，通过将氧化石墨烯与微藻在溶剂中进行混合预反应，二者可发生物理吸附以及官能团的结合，从而得到复合前驱体。具体的，微藻可以为为选自黄丝藻、小球藻、螺旋藻和褐藻中的至少之一，优选黄丝藻。由此，可以提高改性活性炭的品质。

根据本发明的一个实施例，溶剂的种类并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，溶剂可以为选自去离子水和无水乙醇中的至少之一。发明人发现，氧化石墨烯表面含有大量的环氧、羧基和羟基等极性基团，可以在去离子水和/或无水乙醇中实现均匀分散，防止了石墨烯的团聚，解决了氧化石墨烯和微藻的分散问题。

根据本发明的再一个实施例，溶剂的用量并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，溶剂的用量可以按照微藻与溶剂的质量比为1：(5～10)添加。发明人发现，若溶剂用量过少，无法保证氧化石墨烯和微藻的充分分散，而且石墨烯易发生团聚；而溶剂用量过多在造成石墨烯和微藻浓度下降的同时也增加了后续的工作强度。由此，采用该溶剂用量可以在保证石墨烯和微藻均匀分散的同时降低后续工作强度。

根据本发明的又一个实施例，氧化石墨烯与微藻的混合质量比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，氧化石墨烯与微藻的混合质量比可以为0.01％～5％。发明人发现，如果氧化石墨烯的加入量过少，氧化石墨烯不能很好的包覆在炭的表面，分散程度降低且不能形成稳定的结构；而若氧化石墨烯的加入量过多，会造成氧化石墨烯在炭表面发生团聚，使其分散性降低，从而降低了改性活性炭的比表面积和总孔容。由此，采用该混合比例，可以在保证氧化石墨烯在炭表面分散程度和比表面积。

s200：将复合前驱体与活化剂进行混合

该步骤中，将复合前驱体与活化剂进行混合，以便得到混合物料。

根据本发明的一个实施例，复合前驱体与活化剂的混合质量比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，复合前驱体与活化剂的混合质量比可以为1:(2～5)发明人发现，若活化剂加入量较少时，会造成炭的活化不完全，而活化剂加入量过多，活化程度过高，挥发分烧结程度增大，更多的微孔塌陷为介孔，活性炭的比表面积大幅度下降。由此，采用该混合比例，可以在保证活性炭活化程度的同时避免活性炭微孔塌陷。

根据本发明的再一个实施例，活化剂的具体类型并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，活化剂可以为选自氯化铁和/或硝酸铁。发明人发现，氯化铁和/或硝酸铁作为活化剂，不仅可以活化微藻得到活性炭，而且氯化铁在高温活化过程中还可催化石墨化，提高所得改性活性炭的导电性和压实密度，从而提高了材料的能量密度。

s300：将混合物料进行高温活化

该步骤中，将混合物料进行高温活化，以便获得改性活性炭。发明人发现，在高温下，微藻与活化剂发生剧烈反应，促进了挥发分的分解，从而在活性炭表面留下来非常丰富的孔隙，即活化微藻得到活性炭

根据本发明的一个实施例，活化处理的条件并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，活化处理的温度可以为600～1200度，时间可以为1～12h。发明人发现，若活化温度过低或时间过短，会造成活化不完全，而活化温度过高或者活化时间较长，会造成活性炭内部结构塌陷，微孔消失，造成活性炭比表面积下降。由此，采用该活化处理条件，可以保证所得改性活性炭具有较高的品质。

根据本发明实施例的制备改性活性炭的方法，通过采用氧化石墨烯对微藻进行改性，氧化石墨烯可与微藻中炭通过稳定的共价键结合成一体化材料，氧化石墨烯的片层结构搭建成具有开放式孔结构的三维网络，而炭颗粒穿插在氧化石墨烯的片层之间防止氧化石墨烯团聚，然后将含有复合前驱体和活化剂的混合物料经过高温活化，使得微藻与活化剂发生剧烈反应，促进了挥发分的分解，在炭表面留下丰富的孔隙，即活化微藻得到活性炭，所得到的改性活性炭作为锂电池的正极材料时，可使得锂离子快速传输到活性炭表面，提高活性物质利用率，进而大幅提升正极比容量和功率密度。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种改性活性炭。根据本发明的实施例，该活性炭是采用上述方法制备得到的。由此，该改性活性炭具有由氧化石墨烯片层结构搭建成的开放式孔结构的三维网络及穿插在氧化石墨烯片层之间的活性炭颗粒，从而可避免石墨烯团聚，并且该改性活性炭作为锂电池的正极材料时，可使得锂离子快速传输到活性炭表面，提高活性物质利用率，进而大幅提升正极比容量和功率密度。需要说明的是，上述针对制备改性活性炭的方法所描述的特征和优点同样适用于该改性活性炭，此处不再赘述。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种锂电池。根据本发明的实施例，所述锂电池的正极是采用上述的改性活性炭制备得到的。由此，可使得锂离子能够快速传输到活性炭表面，提高活性物质的利用率，从而大幅提升正极比容量和功率密度，进而提高锂电池的使用寿命。需要说明的是，上述针对制备改性活性炭的方法和改性碳所描述的特征和优点同样适用于该锂电池，此处不再赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

将氧化石墨烯与黄丝藻按照质量比1:40在去离子水(黄丝藻与去离子水的质量比为1：5)中进行混合，并且蒸干，得到粉状复合前驱体；然后将上述复合前驱体与硝酸铁按照质量比1:5进行混合，得到混合物料；最后将混合物料在600摄氏度下进行2小时的高温活化反应，以便得到改性活性炭，将该改性活性炭作为锂电池的正极材料，经检测，其比容量为195f/g。

实施例2

将氧化石墨烯与黄丝藻按照质量比1:20在无水乙醇(黄丝藻与五水乙醇的质量比为1：10)中进行混合，并且蒸干，得到粉状复合前驱体；然后将上述复合前驱体与氯化铁按照质量比1:3进行混合，得到混合物料；最后将混合物料在750摄氏度下进行3小时的高温活化反应，以便得到改性活性炭，将该改性活性炭作为锂电池的正极材料，经检测，其比容量为200f/g。

实施例3

将氧化石墨烯与黄丝藻按照质量比1:100在去离子水(黄丝藻与去离子水的质量比为1：7)中进行混合，并且蒸干，得到粉状复合前驱体；然后将上述复合前驱体与氯化铁1:2进行混合，得到混合物料；最后将混合物料在1200摄氏度下进行2小时的高温活化反应，以便得到改性活性炭，将该改性活性炭作为锂电池的正极材料，经检测，其比容量为187f/g。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。