高效去除超級電容炭表面化學(xué)基團(tuán)的方法及電容炭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高效去除超級電容炭表面化學(xué)基團(tuán)的方法，尤其是涉及有機(jī)系超級電容炭的表面化學(xué)基團(tuán)的消除方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，超級電容器電極用高比表面積活性炭的制備方法通常采用KOH活化法和金屬催化高溫水蒸氣活化法，反應(yīng)是在有氧氣氛下進(jìn)行的，這樣導(dǎo)致活性炭表面產(chǎn)生了大量的含氧官能團(tuán)。這些化學(xué)基團(tuán)在電極充放電過程中會發(fā)生析氧、析氫等不可逆副反應(yīng)，導(dǎo)致電容器的電容量衰減快、循環(huán)次數(shù)低。這是目前超級電容器價(jià)格昂貴，使用壽命短的關(guān)鍵原因。因此，開發(fā)超級電容炭表面化學(xué)基團(tuán)消除技術(shù)成為制備長壽命、低成本電容器的當(dāng)務(wù)之急，也是解決電動(dòng)汽車廣泛使用瓶頸問題的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]北京防化研究院的莊新國等人(莊新國，楊裕生，楊冬平，等.表面官能團(tuán)對活性炭性能的影響[J].電池，2003, 04期(4): 199-202.)研究了表面官能團(tuán)對粉末超級電容器活性炭電極材料漏電電流、電容貯存性和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:羧基濃度越高，電極材料漏電電流越大，貯存性越差；羧基濃度越高，材料靜態(tài)電位越高，氧析出反應(yīng)可能性越大，電極越不穩(wěn)定?；钚蕴侩姌O材料經(jīng)保護(hù)氣氛下的中溫?zé)崽幚砟軌虿糠窒砻婧豕倌軋F(tuán)，降低表面官能團(tuán)和羧基相對濃度，從而減少漏電電流，提高電極穩(wěn)定性。但是此方法需要極純的惰性氣氛，成本高。如氣氛中含有部分氧，則電容炭會被氧化，而且高溫?zé)崽幚頃?dǎo)致孔收縮，降低比表面積。
[0004]河南理工大學(xué)的王力的等人(王力，張傳祥，段玉玲，等.含氧官能團(tuán)對活性炭電極材料電化學(xué)性能影響[J]電源技術(shù)，2015，第6期(06):1248-1250.)用不同溫度熱處理腐植酸基活性炭制備超級電容器用炭電極材料，在3mol/L的KOH電解液中研究了表面含氧官能團(tuán)對電極電化學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，不同溫度熱處理后活性炭的比表面積和孔容略有下降，表面含氧量減小，且活性炭表面的含氧官能團(tuán)種類含量發(fā)生了變化。由FTIR的分析結(jié)果判斷，活性炭電極材料的漏電和貯存性能主要是受表面含氧官能團(tuán)醛基、羧基、羰基和羥基的影響。在大電流充放電時(shí)，高溫處理后炭電極比電容的衰減率明顯低于處理前。
[0005]同濟(jì)大學(xué)的肖淑華等人(肖淑華，沈明，朱沛英，等.水合肼還原氧化石墨烯的研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2011，02期(2):45-50.)通過將獲得的氧化石墨進(jìn)行熱剝離以及超聲剝離得到雙層甚至單層的氧化石墨烯片。然后采用化學(xué)還原一水合肼還原的方法去除氧化石墨稀所含的羧基C00H、輕基0H、羰基C = O和環(huán)氧基等化學(xué)基團(tuán)。當(dāng)氧化石墨和水合肼的質(zhì)量比為10:7一10:10，還原反應(yīng)時(shí)間為80min—10min時(shí)，水合肼還原氧化石墨烯的效果最佳。
[0006]綜上所述，活性炭表面基團(tuán)采用惰性氣氛下高溫分解的方法，需要高純的惰性氣體和高溫，處理費(fèi)用高，處理效果不佳。同時(shí)，高溫下會造成活性炭孔隙的合并，降低比表面積和電化學(xué)性能。暫未有文獻(xiàn)報(bào)道利用水合肼在一定溫度下消除超級電容炭表面化學(xué)基團(tuán)的報(bào)道。因此，利用水合肼還原性機(jī)理，開發(fā)超級電容炭表面化學(xué)基團(tuán)的消除方法，具有方法簡單，化學(xué)基團(tuán)去除效率高，能耗低，易于推廣。制得的超級電容炭產(chǎn)品電化學(xué)性能穩(wěn)定，使用壽命長，產(chǎn)品附加值高，且可推動(dòng)低成本長壽命超級電容器的開發(fā)，有利于電容汽車廣泛推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]解決的技術(shù)問題:為了解決目前超級電容炭表面化學(xué)基團(tuán)過多造成電化學(xué)性能不穩(wěn)定、電容量衰減快、使用壽命短的問題，本發(fā)明提供高效去除超級電容炭表面化學(xué)基團(tuán)的方法，工藝過程簡單，化學(xué)基團(tuán)去除效率高，能耗低，易于推廣。制得的超級電容炭產(chǎn)品電化學(xué)性能穩(wěn)定，使用壽命長，產(chǎn)品附加值高，且可推動(dòng)低成本長壽命超級電容器的開發(fā)，有利于電容汽車廣泛推廣。
[0008]技術(shù)方案:高效去除超級電容炭表面化學(xué)基團(tuán)的方法，包括如下步驟:
[0009]第一步，稱取一定量超級電容炭粉，溶于蒸餾水中，在恒溫磁力攪拌下保持炭粉充分懸??；
[0010]第二步，按照炭與水合肼質(zhì)量比1:0.5?3.0，向懸浮液中逐滴加入水合肼，保持磁力攪拌使得炭粉懸浮。反應(yīng)結(jié)束后，炭粉過濾，洗滌、干燥，制得表面官能團(tuán)消除的超級電容炭。
[0011]所述超級電容炭粉的平均顆粒直徑度小于15微米。
[0012]保持水浴溫度60-100°C，反應(yīng)時(shí)間30-120min，保持磁力攪拌使得炭粉懸浮。
[0013]所述烘干是在100?110 °C下烘干2.5?3.5h。
[0014]制得表面化學(xué)基團(tuán)的去除率達(dá)到95% _99%，超級電容炭3000次充放電循環(huán)電容衰減率小于5%。
[0015]有益效果:
[0016]1.高效去除超級電容炭表面化學(xué)基團(tuán)的方法制備的純化超級電容炭，方法簡單，化學(xué)基團(tuán)去除效率高，能耗低，易于推廣。
[0017]2.純化的超級電容炭電化學(xué)性能穩(wěn)定，電容量衰減低，循環(huán)使用壽命長。
[0018]3.利用水合肼中的活潑氫還原置換活性炭表面的氧、氮等原子，從而消除活性炭表面的化學(xué)基團(tuán)，得到純化的超級電容炭產(chǎn)品。具有消除效率高，能耗低、易于規(guī)?；茝V等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0019]圖1-a C = O化學(xué)基團(tuán)隨反應(yīng)時(shí)間的變化。
[0020]圖l_b OH化學(xué)基團(tuán)隨反應(yīng)時(shí)間的變化。
[0021]圖1-c C-O-C化學(xué)基團(tuán)隨反應(yīng)時(shí)間的變化。
[0022]圖2表面清潔的超級電容炭的表面形貌。
[0023]圖3超級電容炭電極的循環(huán)性能。ACl原超級電容炭，AC2為表面化學(xué)基團(tuán)消除活性炭。
[0024]圖4超級電容活性炭表面基團(tuán)FT-1R譜圖
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明對所制備的純化超級電容炭表面化學(xué)基團(tuán)、循環(huán)充放電的測試方法如下:
[0026](I)表面化學(xué)基團(tuán)的測定:采用美國Nicolet紅外分析儀(FTIR 550型)測試，掃描范圍為500-4000cm-l的中紅外區(qū)。
[0027](2)循環(huán)充放電的測定:采用法國B1-Logic公司生產(chǎn)的VMP3B_2x2電化學(xué)工作站對制備的純化超級電容炭進(jìn)行恒流充放電性能測試。
[0028]實(shí)施例1