一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法，以氧化石墨、石油焦為原料，氫氧化鉀為活化劑，通過對(duì)原料粉碎、篩分、溶劑分散處理、機(jī)械攪拌、高溫活化等工藝，采用氧化石墨復(fù)合石油焦粉末，原位高溫堿活化得到石墨烯復(fù)合活性炭。該方法利用活性炭材料作為骨架，支撐開石墨烯的結(jié)構(gòu)，防止石墨烯團(tuán)聚，解決了石墨烯在活性炭材料中難分散的問題，從而更好發(fā)揮兩種材料的特殊性能，提高活性炭的微觀導(dǎo)電性，進(jìn)而提高超級(jí)電容器電化學(xué)性能。同時(shí)使其比表面積大大提高，比表面積可提高20%g，中孔率可有效控制在28%?32%。該孔隙結(jié)構(gòu)下，比容量明顯提高，比容量可提高12%。
【專利說明】
一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于材料科學(xué)及電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí) 電容器用活性炭的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能裝置，其性能介于蓄電池和傳統(tǒng)電容器之間，具有充 電時(shí)間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，超級(jí)電容器在很多 應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景?；钚蕴坎牧弦蚱淞己玫膶?dǎo)電性，超高的比表面積，可控的孔 隙結(jié)構(gòu)以及豐富的原料，低廉的價(jià)格，穩(wěn)定的化學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最具產(chǎn)業(yè)化前景的 超級(jí)電容器用電極材料。然而，傳統(tǒng)的活性炭儲(chǔ)能材料無論是木基活性炭還是石油焦基活 性炭均不能滿足對(duì)現(xiàn)在超級(jí)電容器的儲(chǔ)能要求，形成了產(chǎn)業(yè)瓶頸。如果沒有新材料的加入 很難提升目前超級(jí)電容器的儲(chǔ)能水平，那么隨著石墨烯改性超級(jí)電容用活性炭的研究可以 將超級(jí)電容器的應(yīng)用推到一個(gè)新的高度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要求解決的技術(shù)問題是提供一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活 性炭的制備方法，該方法能夠有效地提高活性炭材料的比表面積，改善孔隙結(jié)構(gòu)，增加材料 導(dǎo)電性，進(jìn)而提高超級(jí)電容器的比容量。
[0004] 為解決本發(fā)明的技術(shù)問題采取如下技術(shù)方案： 一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法，其特征在于：以氧化石墨、 石油焦為原料，主要通過活化前預(yù)處理、活化處理以及后處理得到石墨烯復(fù)合活性炭，具體 步驟如下： (1) 采用的氧化石墨與石油焦按質(zhì)量比混合，氧化石墨的添加量控制在1%-1 〇%; (2) 將步驟(1)得到的混合料經(jīng)球磨機(jī)磨粉、過篩處理得到300-400目原料，粒度控制在 2〇-50μπι； (3) 將步驟(2)得到的原料通過極性溶劑分散混合，極性溶劑的添加量按石油焦量每克 添加 l-5ml; (4) 將步驟(3)得到的混合原料與氫氧化鉀按堿炭質(zhì)量比1:2-3.5均勻混合，其堿炭質(zhì) 量比以石油焦的質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算； (5) 將步驟(4)處理的原料通過加熱至90-100°C攪拌，烘干溶劑，然后置于活化爐中，在 惰氣環(huán)境下升溫至700_850°C，保溫5-60min，然后冷卻至室溫； (6) 將步驟(5)得到冷卻產(chǎn)物經(jīng)沸水洗、酸洗后去離子水洗至中性，烘干，即得到所需超 級(jí)電容器用活性炭。
[0005] 所述步驟(5)中活化溫度為750-780°C。
[0006] 所述極性溶劑為去離子水、工業(yè)酒精、無水乙醇。
[0007] 本發(fā)明涉及一種石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法，以氧化石墨、 石油焦為原料，氫氧化鉀為活化劑，通過對(duì)原料粉碎、篩分、溶劑分散處理、機(jī)械攪拌、高溫 活化等工藝，采用氧化石墨復(fù)合石油焦粉末，原位高溫堿活化得到石墨烯復(fù)合活性炭。該方 法利用活性炭材料作為骨架，支撐開石墨烯的結(jié)構(gòu)，防止石墨烯團(tuán)聚，解決了石墨烯在活性 炭材料中難分散的問題，從而更好發(fā)揮兩種材料的特殊性能，提高活性炭的微觀導(dǎo)電性，進(jìn) 而提高超級(jí)電容器電化學(xué)性能。同時(shí)該方法與活性炭制備工藝比較，石墨烯材料的引入，降 低了活性炭材料的電阻，提高活性炭材料的導(dǎo)電性。同時(shí)單層石墨烯片的插入，一方面阻止 了純的活性炭前驅(qū)體在活化反應(yīng)中的聚集，同時(shí)與其交聯(lián)形成了三維多孔結(jié)構(gòu)，從而有利 于后期在活化反應(yīng)中的造孔過程，使其比表面積大大提高，比表面積可提高20%，中孔率可 有效控制在25%~32%。該孔隙結(jié)構(gòu)下，比容量明顯提高，比容量可提高12%。
【附圖說明】
[0008] 圖1為未改性活性炭SEM圖； 圖2為本發(fā)明SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 以下結(jié)合具體的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并 不限于這些實(shí)施例。
[0010] 實(shí)施例1 一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法，以氧化石墨、石油焦(硫含 量0.42%灰分0.12%揮發(fā)分11.15%水分0.08%含碳量88.65% )為原料，包括如下步驟： (1) 采用的氧化石墨與石油焦按質(zhì)量比混合，氧化石墨的添加量控制在1%; (2) 將步驟（1)得到的混合料經(jīng)球磨機(jī)磨粉、過篩處理得到400目原料，粒度控制在50μ m； (3) 將步驟(2)得到的原料通過極性溶劑去離子水分散混合，極性溶劑的添加量按石油 焦量每克添加4ml; (4) 將步驟(3)得到的混合原料與氫氧化鉀按堿炭質(zhì)量比1:3.5均勻混合，其堿炭質(zhì)量 比以石油焦的質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算； (5) 將步驟(4)處理的原料通過加熱至IOOtC攪拌，烘干溶劑，然后置于活化爐中，在惰 氣環(huán)境下升溫至750°C，保溫60min，然后冷卻至室溫； (6) 將步驟(5)得到冷卻產(chǎn)物經(jīng)沸水洗、酸洗后去離子水洗至中性，烘干，即得到所需超 級(jí)電容器用活性炭。
[0011] 實(shí)施例2 一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法，以氧化石墨、石油焦(硫含 量0.42%灰分0.12%揮發(fā)分11.15%水分0.08%含碳量88.65% )為原料，包括如下步驟： (1) 采用的氧化石墨與石油焦按質(zhì)量比混合，氧化石墨的添加量控制在5%; (2) 將步驟(1)得到的混合料經(jīng)球磨機(jī)磨粉、過篩處理得到300目原料，粒度控制在20μ m； (3) 將步驟(2)得到的原料通過極性溶劑去離子水分散混合，極性溶劑去離子水的添加 量按石油焦量每克添加 Iml; (4) 將步驟(3)得到的混合原料與氫氧化鉀按堿炭質(zhì)量比1:3均勻混合，其堿炭質(zhì)量比 以石油焦的質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算； (5) 將步驟(4)處理的原料通過加熱至90°C攪拌，烘干溶劑，然后置于活化爐中，在惰氣 環(huán)境下升溫至850°C，保溫5min，然后冷卻至室溫； (6) 將步驟(5)得到冷卻產(chǎn)物經(jīng)沸水洗、酸洗后去離子水洗至中性，烘干，即得到所需超 級(jí)電容器用活性炭。
[0012] 實(shí)施例3 一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法，以氧化石墨、石油焦(硫含 量0.42%灰分0.12%揮發(fā)分11.15%水分0.08%含碳量88.65% )為原料，包括如下步驟： (1) 采用的氧化石墨與石油焦按質(zhì)量比混合，氧化石墨的添加量控制在8%; (2) 將步驟(1)得到的混合料經(jīng)球磨機(jī)磨粉、過篩處理得到300目原料，粒度控制在20μ m； (3) 將步驟(2)得到的原料通過極性溶劑工業(yè)酒精分散混合，極性溶劑工業(yè)酒精的添加 量按石油焦量每克添加5ml; (4) 將步驟(3)得到的混合原料與氫氧化鉀按堿炭質(zhì)量比1:3均勻混合，其堿炭質(zhì)量比 以石油焦的質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算； (5) 將步驟(4)處理的原料通過加熱至90°C攪拌，烘干溶劑，然后置于活化爐中，在惰氣 環(huán)境下升溫至850°C，保溫30min，然后冷卻至室溫； (6) 將步驟(5)得到冷卻產(chǎn)物經(jīng)沸水洗、酸洗后去離子水洗至中性，烘干，即得到所需超 級(jí)電容器用活性炭。
[0013] 實(shí)施例4 一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法，以氧化石墨、石油焦(硫含 量0.42%灰分0.12%揮發(fā)分11.15%水分0.08%含碳量88.65% )為原料，包括如下步驟： (1) 采用的氧化石墨與石油焦按質(zhì)量比混合，氧化石墨的添加量控制在10%; (2) 將步驟（1)得到的混合料經(jīng)球磨機(jī)磨粉、過篩處理得到400目原料，粒度控制在30μ m； (3) 將步驟(2)得到的原料通過極性溶劑無水乙醇分散混合，極性溶劑無水乙醇的添加 量按石油焦量每克添加4ml; (4) 將步驟(3)得到的混合原料與氫氧化鉀按堿炭質(zhì)量比1:3.5均勻混合，其堿炭質(zhì)量 比以石油焦的質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算； (5) 將步驟(4)處理的原料通過加熱至IOOtC攪拌，烘干溶劑，然后置于活化爐中，在惰 氣環(huán)境下升溫至780°C，保溫30min，然后冷卻至室溫； (6) 將步驟(5)得到冷卻產(chǎn)物經(jīng)沸水洗、酸洗后去離子水洗至中性，烘干，即得到所需超 級(jí)電容器用活性炭。
[0014] 實(shí)施例5 一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法，以氧化石墨、石油焦(硫含 量0.42%灰分0.12%揮發(fā)分11.15%水分0.08%含碳量88.65% )為原料，包括如下步驟： (1) 采用的氧化石墨與石油焦按質(zhì)量比混合，氧化石墨的添加量控制在5%; (2) )將步驟(1)得到的混合料經(jīng)球磨機(jī)磨粉、過篩處理得到300目原料，粒度控制在20μ m； (3) 將步驟(2)得到的原料通過極性溶劑去離子水分散混合，極性溶劑去離子水的添加 量按石油焦量每克添加5ml; (4) 將步驟(3)得到的混合原料與氫氧化鉀按堿炭質(zhì)量比1:2均勻混合，其堿炭質(zhì)量比 以石油焦的質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算； (5) 將步驟(4)處理的原料通過加熱至IOOtC攪拌，烘干溶劑，然后置于活化爐中，在惰 氣環(huán)境下升溫至750°C，保溫30min，然后冷卻至室溫； (6) 將步驟(5)得到冷卻產(chǎn)物經(jīng)沸水洗、酸洗后去離子水洗至中性，烘干，即得到所需超 級(jí)電容器用活性炭。
[0015] 實(shí)施例6 一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法，以氧化石墨、石油焦(硫含 量0.42%灰分0.12%揮發(fā)分11.15%水分0.08%含碳量88.65% )為原料，包括如下步驟： (1) 采用的氧化石墨與石油焦按質(zhì)量比混合，氧化石墨的添加量控制在3%; (2) 將步驟(1)得到的混合料經(jīng)球磨機(jī)磨粉、過篩處理得到300目原料，粒度控制在20μ m； (3) 將步驟(2)得到的原料通過極性溶劑去離子水分散混合，其中氧化石墨與石油焦質(zhì) 量比控制在10%，極性溶劑去尚子水的添加量按石油焦量每克添加5ml; (4) 將步驟(3)得到的混合原料與氫氧化鉀按堿炭質(zhì)量比1:2.5均勻混合，其堿炭質(zhì)量 比以石油焦的質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算； (5) 將步驟(4)處理的原料通過加熱至IOOtC攪拌，烘干溶劑，然后置于活化爐中，在惰 氣環(huán)境下升溫至700°C，保溫45min，然后冷卻至室溫； (6) 將步驟(5)得到冷卻產(chǎn)物經(jīng)沸水洗、酸洗后去離子水洗至中性，烘干，即得到所需超 級(jí)電容器用活性炭。
[0016] 電化學(xué)性能測(cè)試： 檢驗(yàn)本發(fā)明中超級(jí)電容器用活性炭材料的性能，采用半電池測(cè)試方法，具體為:采用本 發(fā)明中的活性炭樣品、60%PTFE及導(dǎo)電乙炔黑，按85:10:5比例混合均勻，制備極片。電容器 裝配在充氬氣的德國布勞恩手套箱中進(jìn)行，電解液為新宙邦DLC306,組裝對(duì)稱扣式超級(jí)電 容器，電化學(xué)性能測(cè)試在武漢市藍(lán)電電子（CT2001A型）電池測(cè)試儀上進(jìn)行，電流密度為 〇.5A/g，充放電電壓范圍為0.001-2.5V。
[0017]各實(shí)施例性能參數(shù)如下表所示：
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則 之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法，其特征在于：以氧化石 墨、石油焦為原料，主要通過活化前預(yù)處理、活化處理以及后處理得到石墨烯復(fù)合活性炭， 具體步驟如下： (1) 采用的氧化石墨與石油焦按質(zhì)量比混合，氧化石墨的添加量控制在1%-1〇%; (2) 將步驟（1)得到的混合料經(jīng)球磨機(jī)磨粉、過篩處理得到300-400目原料，粒度控制在 2〇-50μπι； (3) 將步驟(2)得到的原料通過極性溶劑分散混合，極性溶劑的添加量按每克石油焦添 加 l-5ml; (4) 將步驟(3)得到的混合原料與氫氧化鉀按堿炭質(zhì)量比1:2-3.5均勻混合，其堿炭質(zhì) 量比以石油焦的質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算； (5) 將步驟(4)處理的原料通過加熱至90-100°C攪拌，烘干溶劑，然后置于活化爐中，在 惰氣環(huán)境下升溫至700_850°C，保溫5-60min，然后冷卻至室溫； (6) 將步驟(5)得到冷卻產(chǎn)物經(jīng)沸水洗、酸洗后去離子水洗至中性，烘干，即得到所需超 級(jí)電容器用活性炭。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法， 其特征在于:所述步驟(5)中活化爐的還原溫度為750-780°C。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯復(fù)合改性超級(jí)電容器用活性炭的制備方法， 其特征在于:所述步驟(2)選用的極性溶劑為水或無水乙醇或工業(yè)酒精。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK105923632SQ201610238996
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日
【發(fā)明人】東紅, 張桂蘭, 齊仲輝, 武天文, 藺文, 孫全芹
【申請(qǐng)人】方大炭素新材料科技股份有限公司