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CN105321733A - 高效去除超级电容炭表面化学基团的方法及电容炭 - Google Patents

高效去除超级电容炭表面化学基团的方法及电容炭 Download PDF

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蒋剑春
邓先伦
冷昌宇
陈超
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朱光真
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Abstract

高效去除超级电容炭表面化学基团的方法及电容炭，称取一定量超级电容炭粉，混溶于蒸馏水中，炭和水的质量比保持在1︰20；在恒温磁力搅拌下保持炭粉充分悬浮。按照炭与水合肼质量比1:0.5～1:3.0，向悬浮液中逐滴加入水合肼。保持水浴温度60-100℃，反应30～120min，反应结束后，过滤，并用蒸馏水冲洗炭层3次，把过滤后的样品放如105℃烘箱中，3小时后取出，制的表面官能团消除的超级电容炭。产品电化学性能稳定，电容量衰减低，循环使用寿命长。

Description

高效去除超级电容炭表面化学基团的方法及电容炭
技术领域
本发明涉及高效去除超级电容炭表面化学基团的方法，尤其是涉及有机系超级电容炭的表面化学基团的消除方法。
背景技术
目前，超级电容器电极用高比表面积活性炭的制备方法通常采用KOH活化法和金属催化高温水蒸气活化法，反应是在有氧气氛下进行的，这样导致活性炭表面产生了大量的含氧官能团。这些化学基团在电极充放电过程中会发生析氧、析氢等不可逆副反应，导致电容器的电容量衰减快、循环次数低。这是目前超级电容器价格昂贵，使用寿命短的关键原因。因此，开发超级电容炭表面化学基团消除技术成为制备长寿命、低成本电容器的当务之急，也是解决电动汽车广泛使用瓶颈问题的关键技术。
北京防化研究院的庄新国等人(庄新国,杨裕生,杨冬平,等.表面官能团对活性炭性能的影响[J].电池,2003,04期(4):199-202.)研究了表面官能团对粉末超级电容器活性炭电极材料漏电电流、电容贮存性和稳定性的影响。结果表明:羧基浓度越高,电极材料漏电电流越大,贮存性越差；羧基浓度越高,材料静态电位越高,氧析出反应可能性越大,电极越不稳定。活性炭电极材料经保护气氛下的中温热处理能够部分消除表面含氧官能团,降低表面官能团和羧基相对浓度,从而减少漏电电流,提高电极稳定性。但是此方法需要极纯的惰性气氛，成本高。如气氛中含有部分氧，则电容炭会被氧化，而且高温热处理会导致孔收缩，降低比表面积。
河南理工大学的王力的等人(王力,张传祥,段玉玲,等.含氧官能团对活性炭电极材料电化学性能影响[J]电源技术,2015,第6期(06):1248-1250.)用不同温度热处理腐植酸基活性炭制备超级电容器用炭电极材料，在3mol/L的KOH电解液中研究了表面含氧官能团对电极电化学性能的影响。研究结果表明，不同温度热处理后活性炭的比表面积和孔容略有下降，表面含氧量减小，且活性炭表面的含氧官能团种类含量发生了变化。由FTIR的分析结果判断，活性炭电极材料的漏电和贮存性能主要是受表面含氧官能团醛基、羧基、羰基和羟基的影响。在大电流充放电时，高温处理后炭电极比电容的衰减率明显低于处理前。
同济大学的肖淑华等人(肖淑华,沈明,朱沛英,等.水合肼还原氧化石墨烯的研究[J].材料开发与应用,2011,02期(2):45-50.)通过将获得的氧化石墨进行热剥离以及超声剥离得到双层甚至单层的氧化石墨烯片。然后采用化学还原—水合肼还原的方法去除氧化石墨烯所含的羧基COOH、羟基OH、羰基C＝O和环氧基等化学基团。当氧化石墨和水合肼的质量比为10：7—10：10，还原反应时间为80min—100min时，水合肼还原氧化石墨烯的效果最佳。
综上所述，活性炭表面基团采用惰性气氛下高温分解的方法，需要高纯的惰性气体和高温，处理费用高，处理效果不佳。同时，高温下会造成活性炭孔隙的合并，降低比表面积和电化学性能。暂未有文献报道利用水合肼在一定温度下消除超级电容炭表面化学基团的报道。因此，利用水合肼还原性机理，开发超级电容炭表面化学基团的消除方法，具有方法简单，化学基团去除效率高，能耗低，易于推广。制得的超级电容炭产品电化学性能稳定，使用寿命长，产品附加值高，且可推动低成本长寿命超级电容器的开发，有利于电容汽车广泛推广。
发明内容
解决的技术问题：为了解决目前超级电容炭表面化学基团过多造成电化学性能不稳定、电容量衰减快、使用寿命短的问题，本发明提供高效去除超级电容炭表面化学基团的方法，工艺过程简单，化学基团去除效率高，能耗低，易于推广。制得的超级电容炭产品电化学性能稳定，使用寿命长，产品附加值高，且可推动低成本长寿命超级电容器的开发，有利于电容汽车广泛推广。
技术方案：高效去除超级电容炭表面化学基团的方法，包括如下步骤：
第一步，称取一定量超级电容炭粉，溶于蒸馏水中，在恒温磁力搅拌下保持炭粉充分悬浮；
第二步，按照炭与水合肼质量比1:0.5～3.0，向悬浮液中逐滴加入水合肼，保持磁力搅拌使得炭粉悬浮。反应结束后，炭粉过滤，洗涤、干燥，制得表面官能团消除的超级电容炭。
所述超级电容炭粉的平均颗粒直径度小于15微米。
保持水浴温度60-100℃，反应时间30-120min，保持磁力搅拌使得炭粉悬浮。
所述烘干是在100～110℃下烘干2.5～3.5h。
制得表面化学基团的去除率达到95％-99％，超级电容炭3000次充放电循环电容衰减率小于5％。
有益效果：
1.高效去除超级电容炭表面化学基团的方法制备的纯化超级电容炭，方法简单，化学基团去除效率高，能耗低，易于推广。
2.纯化的超级电容炭电化学性能稳定，电容量衰减低，循环使用寿命长。
3.利用水合肼中的活泼氢还原置换活性炭表面的氧、氮等原子，从而消除活性炭表面的化学基团，得到纯化的超级电容炭产品。具有消除效率高，能耗低、易于规模化推广等特点。
附图说明
图1-aC＝O化学基团随反应时间的变化。
图1-bOH化学基团随反应时间的变化。
图1-cC-O-C化学基团随反应时间的变化。
图2表面清洁的超级电容炭的表面形貌。
图3超级电容炭电极的循环性能。AC1原超级电容炭，AC2为表面化学基团消除活性炭。
图4超级电容活性炭表面基团FT-IR谱图
具体实施方式
本发明对所制备的纯化超级电容炭表面化学基团、循环充放电的测试方法如下：
(1)表面化学基团的测定：采用美国Nicolet红外分析仪(FTIR550型)测试，扫描范围为500-4000cm-1的中红外区。
(2)循环充放电的测定：采用法国Bio-Logic公司生产的VMP3B-2x2电化学工作站对制备的纯化超级电容炭进行恒流充放电性能测试。
实施例1
第一步，称取一定量超级电容炭粉，颗粒直径度小于15微米，混溶于蒸馏水中，炭水的质量比保持在1:20，置于恒温磁力搅拌器，搅拌速度2000r/min，保持炭粉充分悬浮。
第二步，按照炭与水合肼质量比1:0.5，向悬浮液中逐滴加入水合肼，保持水浴温度60℃，反应30min，保持磁力搅拌使得炭粉悬浮。反应结束后，炭粉过滤，并用蒸馏水冲洗炭粉3次，把过滤后的样品放入105℃烘箱中，3h后取出，制得表面官能团消除的超级电容炭。超级电容炭3000次充放电循环，电容衰减率18％，表面化学基团的去除率达到81％。
实施例2
第一步，称取一定量超级电容炭粉，颗粒直径度小于15微米，混溶于蒸馏水中，炭水的质量比保持在1:20，置于恒温磁力搅拌器，搅拌速度2000r/min，保持炭粉充分悬浮。
第二步，按照炭与水合肼质量比1:1.0，向悬浮液中逐滴加入水合肼，保持水浴温度80℃，反应60min，保持磁力搅拌使得炭粉悬浮。反应结束后，炭粉过滤，并用蒸馏水冲洗炭粉3次，把过滤后的样品放入105℃烘箱中，3h后取出，制得表面官能团消除的超级电容炭。制得超级电容炭3000次充放电循环，电容衰减率13％，表面化学基团的去除率达到89％。
实施例3
第一步，称取一定量超级电容炭粉，颗粒直径度小于15微米，混溶于蒸馏水中，炭水的质量比保持在1:20，置于恒温磁力搅拌器，搅拌速度2000r/min，保持炭粉充分悬浮。
第二步，按照炭与水合肼质量比1:2.0，向悬浮液中逐滴加入水合肼，保持水浴温度90℃，反应90min，保持磁力搅拌使得炭粉悬浮。反应结束后，炭粉过滤，并用蒸馏水冲洗炭粉3次，把过滤后的样品放入105℃烘箱中，3h后取出，制得表面官能团消除的超级电容炭。其特征在于所制得超级电容炭3000次充放电循环，电容衰减率8％，表面化学基团的去除率达到92％。
实施例4
第一步，称取一定量超级电容炭粉，颗粒直径度小于15微米，混溶于蒸馏水中，炭水的质量比保持在1:20，置于恒温磁力搅拌器，搅拌速度2000r/min，保持炭粉充分悬浮。
第二步，按照炭与水合肼质量比1:2.0，向悬浮液中逐滴加入水合肼，保持水浴温度100℃，反应100min，保持磁力搅拌使得炭粉悬浮。反应结束后，炭粉过滤，并用蒸馏水冲洗炭粉3次，把过滤后的样品放入105℃烘箱中，3h后取出，制得表面官能团消除的超级电容炭。其特征在于所制得超级电容炭3000次充放电循环，电容衰减率4.7％，表面化学基团的去除率达到99％。
实施例5
第一步，称取一定量超级电容炭粉，颗粒直径度小于15微米，混溶于蒸馏水中，炭水的质量比保持在1:20，置于恒温磁力搅拌器，搅拌速度2000r/min，保持炭粉充分悬浮。
第二步，按照炭与水合肼质量比1:3.0，向悬浮液中逐滴加入水合肼，保持水浴温度100℃，反应120min，保持磁力搅拌使得炭粉悬浮。反应结束后，炭粉过滤，并用蒸馏水冲洗炭粉3次，把过滤后的样品放入105℃烘箱中，3h后取出，制得表面官能团消除的超级电容炭。所制得超级电容炭3000次充放电循环，电容衰减率5％，表面化学基团的去除率达到99％。
实施例6
将实施例4中选取的炭粉颗粒平均粒径71微米，其余同实施例4，所制得超级电容炭3000次充放电循环，电容衰减率16％，表面化学基团的去除率达到77％。
实施例7
将实施例4中磁力搅拌速度调整为0转，炭粉未悬浮，其余同实施例4，所制得超级电容炭3000次充放电循环，电容衰减率15％，表面化学基团的去除率达到81％。
实施例8
将实施例4中将水浴加热关闭，反应在室温下进行，其余同实施例4，所制得超级电容炭3000次充放电循环，电容衰减率14％，表面化学基团的去除率达到59％。

Claims (5)

1.高效去除超级电容炭表面化学基团的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，称取超级电容炭粉，溶于蒸馏水中，在恒温磁力搅拌下保持炭粉充分悬浮；
第二步，按照炭与水合肼质量比1:0.5～3.0，向悬浮液中逐滴加入水合肼，水浴反应，保持磁力搅拌使得炭粉悬浮，反应结束后，炭粉过滤、洗净、烘干，制得表面官能团消除的超级电容炭。
2.根据权利要求1所述的高效去除超级电容炭表面化学基团的方法，其特征在于，所述超级电容炭粉的平均颗粒直径度小于15微米。
3.根据权利要求1所述的高效去除超级电容炭表面化学基团的方法，其特征在于，水浴温度60-100℃，反应时间30-120min，反应期间保持磁力搅拌使得炭粉悬浮。
4.根据权利要求1所述的高效去除超级电容炭表面化学基团的方法，其特征在于，所述烘干是在100~110℃下烘干2.5~3.5h。
5.权利要求1～4任一所述高效去除超级电容炭表面化学基团的方法得到的超级电容炭，其特征在于，所制得超级电容炭3000次充放电循环，电容衰减率小于5%，表面化学基团的去除率达到95%-99%。
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