一种利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法及其制备的超级电容器电极

本发明属于超级电容炭材料制备，具体涉及一种利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法及其制备的超级电容器电极。

背景技术：

1、超级电容器作为一种新型储能器件，由于具有功率密度高、循环寿命长、充电效率高和环境友好等优点近年来受到产业和学术界关注。超级电容器由正负电极片(电极材料)、电解液、隔膜、集电极和封装材料组成。超级电容器的电极种类很多，其中，多孔碳材料具有质量轻、比表面积大、韧性高、模量高、稳定性好、耐温高、耐酸碱、无毒、吸附能力好、易于加工等诸多优良性能，因而被超级电容器电极材料领域所关注。

2、餐饮垃圾主要由蛋白质、脂肪、淀粉和纤维素等成分组成。餐饮垃圾现有的利用技术主要有焚烧和发酵，餐饮垃圾因其高含水率，采用垃圾焚烧的处理技术不仅会导致其中含有大部分能量的流失，焚烧过程更导致大量二恶英等有毒有害气体的产生。发酵虽然能将餐饮垃圾转化为清洁的可燃气，但是该工艺处理周期长，短则半个月多则数月，较长的处理周期导致其处理量十分有限，并且在发酵结束后产生的沼渣仍需进一步处理。当前，还未有关于将餐饮垃圾用于超级电容器电极材料的制备的相关报道。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法及其制备的超级电容器电极，将餐饮垃圾用于超级电容器电极材料的制备，以解决现存技术对餐饮垃圾无法做到高效、连续性且无害化处理技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法，包括以下步骤：

4、1)餐饮垃圾的处理：将餐饮垃圾经过离心脱水、干燥、粉碎处理得到餐饮垃圾原料；

5、2)碳化炭的制备：将餐饮垃圾原料进行低温微波碳化处理，得到固体物质，将该固体物质研磨，获得碳化炭；

6、3)超级电容炭的制备：将碳化炭在碱液中浸泡处理，然后过滤、干燥，在惰性气体保护下，将碱液浸泡过的碳化炭进行高温活化，活化反应结束后，在惰性气体保护下冷却，然后洗涤直至洗涤液的ph值呈中性，再经过滤、干燥、研磨，制得超级电容炭材料。

7、优选地，步骤1)中，离心脱水处理采用的离心机转速为960～1200r/min，处理时间10分钟；采用的烘箱温度95～120℃；采用的粉碎机为刮刀式颗粒粉碎机，粉碎粒径50～100目。

8、优选地，步骤2)中，低温微波碳化处理在氩气气氛下进行，温度200～240℃，碳化处理时间为1～2h。

9、优选地，步骤3)中，碱液采用浓度为0.27mol/l的koh溶液。

10、进一步优选地，碳化炭与koh溶液中koh的质量比为1:(1～6)。

11、优选地，步骤3)中，高温活化温度为700～900℃，活化时间为1～2h。

12、本发明还公开了一种制备超级电容器电极的方法，包括：将上述的利用餐饮垃圾低温微波碳化制备超级电容炭材料的方法制得的超级电容炭材料、导电乙炔黑和ptfe粘结剂在乙醇中混合均匀，制得浆料；将浆料干燥、切片、放置两片泡沫镍之间，镍条充当导电电极一同挤压成为超级电容器电极。

13、优选地，超级电容炭材料、导电乙炔黑和ptfe粘结剂的质量比为(80～90)：(5～10)：(5～10)。

14、优选地，该超级电容器电极在6mol/l的koh电解液中，1a/g电流密度下比电容值为250-350f/g；在电流密度为1a/g下、功率密度500w/kg时，能量密度为25-35wh/kg，循环10000次后比电容保持率不低于98.6％。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、本发明通过采用餐饮垃圾作为超级电容炭材料的原料，通过低温微波热解方法将餐饮垃圾碳化，微波作用能够使餐饮垃圾中的水分子在快速变化的高频电磁场作用下，极性取向将随着外电场的变化而变化，造成分子的运动和相互摩擦效应。此时微波场的场能转化为介质内的热能，使物料温度升高，产生碳化效应。通过微波低温碳化显著增强碳材料的孔隙，增加比表面积，提高电解液的缓冲储存以及离子的快速传输，同时增加活性位点，提高其超级电容器电化学性能。本发明公开的制备方法微波低温碳化工艺适用性强，操作简单，不但可实现餐饮垃圾的减量化和无害化，同时还实现了碳化产物的高值化利用，一举多得。

17、进一步地，微波碳化操作自动化程度高，有较大的技术优势和工程应用价值，既节约能耗又绿色环保。

技术特征：

1.一种利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法，其特征在于，步骤1)中，离心脱水处理采用的离心机转速为960～1200r/min，处理时间10分钟；采用的烘箱温度95～120℃；采用的粉碎机为刮刀式颗粒粉碎机，粉碎粒径50～100目。

3.根据权利要求1所述的利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法，其特征在于，步骤2)中，低温微波碳化处理在氩气气氛下进行，温度200～240℃，碳化处理时间为1～2h。

4.根据权利要求1所述的利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法，其特征在于，步骤3)中，碱液采用浓度为0.27mol/l的koh溶液。

5.根据权利要求4所述的利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法，其特征在于，碳化炭与koh溶液中koh的质量比为1:(1～6)。

6.根据权利要求1所述的利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法，其特征在于，步骤3)中，高温活化温度为700～900℃，活化时间为1～2h。

7.一种制备超级电容器电极的方法，其特征在于，包括：将权利要求1～6中任意一项所述的利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法制得的超级电容炭材料、导电乙炔黑和ptfe粘结剂在乙醇中混合均匀，制得浆料；将浆料干燥、切片、放置两片泡沫镍之间，镍条充当导电电极一同挤压成为超级电容器电极。

8.根据权利要求7所述的制备超级电容器电极的方法，其特征在于，超级电容炭材料、导电乙炔黑和ptfe粘结剂的质量比为(80～90)：(5～10)：(5～10)。

9.采用权利要求7或8所述的方法制得的超级电容器电极，其特征在于，该超级电容器电极在6mol/l的koh电解液中，1a/g电流密度下比电容值为250-350f/g；在电流密度为1a/g下、功率密度500w/kg时，能量密度为25-35wh/kg，循环10000次后比电容保持率不低于98.6％。

技术总结
本发明公开了一种利用餐饮垃圾低温碳化制备超级电容炭材料的方法及其制备的超级电容器电极，属于超级电容器材料制备技术领域。该制备方法通过将生活中的餐饮垃圾通过分选、离心、干燥和粉碎预处理得到原料，通过低温微波碳化得到碳材料，再将碳材料与氢氧化钾浸渍后在惰性气氛下高温活化得到碳材料活化产物；再将含碳材料活化产物经过一定预处理，超级电容器所用碳材料。经该制备方法制得的超级电容器碳材料操作工艺简单，节能环保且所得的碳材料具有比表面积大、比电容高的特性。本发明还公开了该利用餐饮垃圾制备活性碳材料用于超级电容器的方法和应用。经该方法制得的超级电容器电极材料，呈现出优良的倍率性能和稳定性。

技术研发人员：段培高,郭遥,侯潇珂,王屹博
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13