專利名稱：一種超級電容器專用活性炭纖維布制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于活性碳纖維材料制造技術(shù)范圍，特別涉及應(yīng)用于高儲 能密度的一種雙電層型超級電容器活性碳纖維電極材料的制造方法。
背景技術(shù)：
電化學(xué)超級電容器是一種新型儲能裝置，集高能量密度、高功率 密度、長壽命等特性于一身，此外它還具有免維護、高可靠性等優(yōu)點， 是一種兼?zhèn)潆娙莺碗姵靥匦缘男滦碗娮釉?。根?jù)儲能機理的不同， 其主要分為建立在界面雙電層基礎(chǔ)上的雙層電容器以及建立在法拉 第準電容基礎(chǔ)上的超級電容器。碳材料的性質(zhì)是決定雙層電容器性能
的決定因素。其中包括碳材料的比表面積、孔徑分布、電化學(xué)穩(wěn)定性 和電導(dǎo)率等。經(jīng)過研究滿足要求的碳材料有活性炭，活性碳纖維，納
米碳管等等，這方面比較典型的專利如美國MAXWELL公司的專利 《具有密封電解封口的多電極雙層電容器》(CA1408121A)。具有納 米結(jié)構(gòu)的高比表面積碳電極材料是制約超級電容器性能的關(guān)鍵性因 素。1962年W. F. Abbott研制成功粘膠基活性碳纖維。上世紀70年 代初，日本東洋紡織公司率先推出了以粘膠纖維為原料的活性碳纖 維。此后東邦人造絲的聚丙烯腈(Polyacrylonitrie,簡稱為PAN)系活性 碳纖維開始投產(chǎn)。1980年日本可樂麗化學(xué)公司開始生產(chǎn)和銷售酚醛 系的活性碳纖維。1989年日本大阪瓦斯和尤尼吉卡合資成立Adoll 公司，開始生產(chǎn)幼青系列的活性碳纖維。目前，國外已經(jīng)研究出了多 種規(guī)格及牌號的活性碳纖維，并將這種產(chǎn)品制成各種高附加值的產(chǎn) 品，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出 一種應(yīng)用于超級電容器的活性碳纖維材料 及其制造方法。所述制備方法以人工纖維(如粘膠纖維)為基本原料, 適當摻雜一些其他纖維紡織成布，對原料進行預(yù)處理后，經(jīng)專門設(shè)計 的高溫爐進行碳化、活化，再經(jīng)過物理化學(xué)方法對碳表面進行改性處 理后制成超級電容器專用活性碳纖維電極材料。
所述制備方法工藝流程包括配料、織造、清洗、脫水、干燥、前 處理、炭化、預(yù)處理、活化、純化、改性、金屬化成型、熱處理等， 最終制備成為電極材料。
所述炭纖維布的原材料選用粘膠纖維制成平紋布或斜紋布，布
的重量在100~ 500g/m2之間。要求布面均勻、平整，無油漬等污染。
所述前處理理工藝為將原材料在碳化前釆用浸漬特殊藥劑進行 處理并且在20(TC左右的溫度進行預(yù)氧化處理。藥劑選用無機鹽類， 濃度在6 14Wt。/。之間，對溶解藥劑所用水質(zhì)有特殊要求。其中藥劑 用無機鹽含有陰離子包括H2P(V、 P0 -、線2-、 CI-;陽離子包括冊3+、 K+。根據(jù)工藝要求原料在藥劑中的浸漬時間在數(shù)十分鐘至數(shù)小時不 等，浸漬藥劑后的原料在12(TC左右烘干爐進行烘干處理或自然干燥， 保證原料干燥后的含水量控制在10 %以內(nèi)。
所述前處理工藝為將原料進入碳化設(shè)備進行碳化處理，碳化溫度 控制在250 50(TC之間，最高溫度不宜超過600'C,對升溫速率加以
控制，基本保證前高后低，前緩后急。根據(jù)工藝要求原料在爐體中的 停留時間為25min-50min不等，原料在爐體中運行平穩(wěn)，保持適度 張力。
所述活化處理的活化溫度控制在S00 95(TC之間，活化時間 30min—60min,活化過程需要加入活化介質(zhì)，根據(jù)不同電容器對電極 的要求不同，在追求最大比表面積和同時，需要對最終產(chǎn)品的孔徑和孔分布進行必要的控制，因此活化介質(zhì)選用水蒸汽，并且在活化階段 的不同位置嚴格控制活化介質(zhì)用量。
所述工藝流程的碳化和活化階段都要對設(shè)備進行密封處理， 一般 釆用&進行密封，以保證生產(chǎn)過程氣氛中的02在合適的濃度范圍， 避免原料或產(chǎn)品在高溫的含氧氣氛中過度養(yǎng)化。
所述后處理工藝為對活性炭纖維布中的雜質(zhì)(包括灰塵及有害金 屬元素)進行處理， 一般釆用強酸及強堿聯(lián)合洗滌并用水洗至中性， 在烘箱中進行烘干處理后可作為超級電容器的電極材料使用。
本專利技術(shù)生產(chǎn)的超級電容器專用活性炭纖維布電極材料，性能 穩(wěn)定，成本低廉，有很強的巿場竟爭優(yōu)勢。該產(chǎn)品比表面積可達到
2000m7g,中孔率可達到30%,并且根據(jù)不同規(guī)格電容器對電極材料 的要求適當調(diào)整生產(chǎn)工藝以滿足不同要求?？蓪⒒钚蕴祭w維布裁切成 為方型或圓形電極并分別組裝成為卷繞式或紐扣式電容器。


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圖i是本發(fā)明的掃描電靜圖2是本發(fā)明的超級電容放電曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的目的是提出一種應(yīng)用于超級電容器的活性碳纖維材料 及其制造方法。該材料性能穩(wěn)定，成本低廉，有很強的巿場競爭優(yōu)勢。 可組裝成為儲能密度高、放電功率大、循環(huán)壽命長、儲電能力強的超 級電容器，上述超級電容器有望在電子、汽車、航天、軍事等多種領(lǐng) 域獲得廣泛應(yīng)用。本發(fā)明制備工藝具體說明如下；
i.原材料布織造工藝
所述炭纖維布的原材料選用粘膠纖維制成平紋布或斜紋布，布
的重量在100~ 500g/m2之間，要求布面均勻、平整，無油漬等污染。
布重量大厚度高，重量小厚度薄?；钚蕴祭w維布厚度越薄導(dǎo)電率越高，越適合作為超級電容器電極材料。但是厚度較薄的活性碳纖維布材料
結(jié)構(gòu)強度較低，原材料布理想重量為200 ~ 300g/m2。
2. 原料布浸漬工藝
所述浸漬工藝是將原材料在碳化前釆用浸漬特殊藥劑進行處理 并且在20(TC左右的溫度進行預(yù)氧化處理。藥劑選用無機鹽類，濃度 在6 lWt。/。之間。其中藥劑用無機鹽含有陰離子包括H2P04—、 P043—、
hpo,、 cr;陽離子包括冊/、 r。氯離子本身沒有活化能力，僅作為
催化添加劑，比例為0~15%。最佳浸漬方案為釆用磷酸氫二銨與氯 化鉀混合浸漬劑，浸漬劑濃度為12%,其中氯化鉀比例為10%。根據(jù) 工藝要求原料在藥劑中的浸漬時間在四十分鐘至兩小時不等，浸漬藥 劑后的原料在12(TC左右烘干爐進行烘干處理或自然干燥，保證原料 干燥后的含水量控制在10%以內(nèi)。
3. 原料布前處理工藝
所述前處理工藝為將原料進入碳化設(shè)備進行碳化處理，碳化溫度 控制在250 500。C之間，最高溫度不宜超過60(TC,最佳浸漬溫度在 280。C 32(TC之間，對升溫速率加以控制，基本保證前高后低，前緩 后急。根據(jù)工藝要求原料在爐體中的停留時間為25min-50min不等， 前處理過程中可通入N2， c02等氣氛，原料在爐體中應(yīng)運行平穩(wěn)，保 持適度張力。
4. 活化處理工藝
所述活化處理的活化溫度控制在800 95(TC之間，活化時間 30min—60min,活化過程需要加入水蒸氣活化介質(zhì)，活化溫度高利于 提高比表面積，但過高溫度易造成微孔結(jié)構(gòu)塌陷。活化時間長則利于 徹底活化，但容易造成活性碳纖維布得率降低。因此根據(jù)不同電容器 對電極的要求不同，在追求最大比表面積和同時，需要對最終產(chǎn)品的 孔徑和孔分布進行必要的控制，并且在活化階段的不同位置嚴格控制活化介質(zhì)用量。理想活化溫度為92(TC,活化時間為50分鐘，該條 件制備的活性碳材料具有良好的電容特性。
所述工藝流程的碳化和活化階段都要對設(shè)備進行密封處理， 一般 采用仏進行密封，以保證生產(chǎn)過程氣氛中的02在合適的濃度范圍， 避免原料或產(chǎn)品在高溫的含氧氣氛中過度養(yǎng)化。
5.后處理工藝
所述后處理工藝為對活性炭纖維布中的雜質(zhì)(包括灰塵及有害金 屬元素)進行處理， 一般采用10%鹽酸或20%硫酸等強酸進行洗滌， 然后將在沸騰的去離子水洗至中性，在烘箱中進行烘干處理后。
上述方法制備的活性碳纖維布(圖.l)比表面積可達2000ni7g， 中孔含量可達30%，可作為超級電容器的電極材料使用。釆用該材料 組成的20法拉電容器在不同放電電流下的放電曲線如圖2所示，其 具有儲能密度大、放電功率高等特點，在多種領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種超級電容器專用活性碳纖維布的制備方法，其特征在于采用粘膠纖維作為原理，采用磷酸胺鹽和氯化鉀的混合液作為浸漬劑進行進行浸漬處理，然后依次完成碳化前處理和活化后處理制備成為超級電容器專用活性碳纖維布電極材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述活性碳纖維布，其特征在于，原材料布由 粘膠纖維制成，原布重量范圍是100~ 500g/cm2,理想重量為200 ~ 300g/cm2。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性碳纖維布，其特征在于，原材料在 碳化前釆用浸漬特殊藥劑進行處理并且在20(TC左右的溫度進行預(yù)氧 化處理。藥劑選用無機鹽類，濃度在6 ~ 14Wt %之間，理想濃度為12%。 其中藥劑用無機鹽含有陰離子包括H2P04—、 P043—、 HPO/—、 CI—;陽離 子包括NH/、 K+。 、
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性碳纖維布，其特征在于，浸漬劑由 磷酸銨鹽類和氯化鉀鹽類混合而成，其中氯化鉀含量為0~15%。磷 酸鹽可以是磷酸銨、磷酸氫二銨或磷酸二氫銨以及上述三種鹽的混合 物，最佳浸漬方案為采用磷酸氫二銨與氯化鉀混合浸漬劑，其中氯化 鉀比例為10%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性碳纖維布，其特征在于，浸漬藥劑 后的原料在12(TC左右烘干爐進行烘干處理或自然干燥，保證原料干 燥后的含水量控制在10%以內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性碳纖維布，其特征在于，所述前處 理工藝為將原料進行碳化處理，碳化溫度控制在250 50(TC之間， 最高溫度不宜超過60(TC,最佳碳化溫度在28(TC 32(TC之間，對升 溫速率加以控制，基本保證前高后低，前緩后急。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性碳纖維布，其特征在于，所述活化處理的活化溫度控制在800 95(TC之間，活化時間3(kin—60min， 活化過程需要加入水蒸氣活化介質(zhì)。理想活化溫度為92(TC,活化時 間為50分鐘。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的活性碳纖維布，其特征在于，所述工藝 流程的碳化和活化階段都要對設(shè)備進行密封處理， 一般采用&進行密 封，以保證生產(chǎn)過程氣氛中的02在合適的濃度范圍，避免原料或產(chǎn)品 在高溫的含氧氣氛中過度養(yǎng)化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性碳纖維布，其特征在于，所述后處 理工藝為對活性炭纖維布中的雜質(zhì)包括灰塵及有害金屬元素進行處 理， 一般釆用10%鹽酸或20%硫酸等強酸進行洗滌，然后將在沸騰的去離子水洗至中性，在烘箱中進行烘干處理后。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種適用于超級電容器電極的活性炭纖維材料，采用粘膠纖維作為原材料布，采用磷酸銨類活化劑和氯化鉀催化劑的混合液作為浸漬劑，將浸漬完成的原料布在280℃～320℃條件下進行前處理炭化過程，然后在水蒸氣氣氛中，800～950℃條件下進行活化處理過程，最后經(jīng)洗滌、烘干處理過程后制備成為超級電容器電極材料?；谏鲜龇椒ㄖ苽浠钚蕴坷w維電極的超級電容器具有儲能密度大、放電功率高等特點，在電子、汽車等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。
文檔編號H01G9/058GK101562076SQ20081008903
公開日2009年10月21日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者陳照平, 陳勝軍 申請人:華昌星泰(北京)新材料有限公司