CN111710530A - 一种低阶煤基多孔碳制备方法及在超级电容器中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明一方面公开了一种低成本的低阶煤基多孔碳制备方法，通过对低阶煤原料进行K基化合物高温(900‑1200℃)活化处理，获得具有高孔隙率和石墨化度的煤基多孔碳，另一方面提出了利用低阶煤基多孔碳制备超级电容器的应用。采用了以上方案，可实现以下优点：采用储量丰富、成本低廉的低阶煤原料，通过混合较高比例的K基化合物(K2CO3、KOH、K2FeO4等)经过高温活化、清洗和干燥过程，就可得到具有较高孔隙率及石墨化度的煤基多孔碳材料，将其构建成超级电容器件，展现出较高的比电容、倍率性能和运行稳定性。与常规碳纳米材料相比，该煤基多孔碳材料制备方法简单、原料成本低、适合宏量制备，有助于促进超级电容器的应用范围的拓展。

Description

一种低阶煤基多孔碳制备方法及在超级电容器中的应用
技术领域：
本发明涉及一种低阶煤基多孔碳制备方法和应用，尤其涉及一种低阶煤基多孔碳制备方法及在超级电容器中的应用。
背景技术：
随着移动设备、电动汽车、新能源等领域的飞速发展，促使储能设备的要求越来越高。与常规化学电池相比，超级电容器具有使用寿命长、充放电速率快、安全性高等特点，尤其适用于功率密度要求较高的应用领域。目前，超级电容器主要分为以碳基材料为电极的双电层电容器和以渡金属氧化物和高分子聚合物为电极的法拉第赝电容器两种。
碳基电极材料由于物理化学性质良好、结构稳定、导电率高、环境友好等优点，在超级电容器中具有广泛的应用，尤其是碳纳米材料(石墨烯、碳纳米管、介孔碳等)。这些碳纳米材料虽然在超级电容器中有很好的应用，但制备成本高、工艺复杂，严重影响了超级电容器的应用范围。
发明内容：
本发明专利为了解决以上问题，一方面提出了一种低成本的低阶煤基多孔碳制备方法，通过对低阶煤原料进行K基化合物高温(900-1200℃)活化处理，获得具有高孔隙率和石墨化度的煤基多孔碳，具体的，一种低阶煤基多孔碳制备方法，包括如下步骤：
S1.混合物制备：低阶煤进行细化和干燥成度为40-300目的细化煤粉，与钾基化合物采用液相浸渍工艺浸渍，得到混合物；其中细化煤粉和钾基化合物的质量比为1：(2-5)；
S2.高温活化：将S1.混合物制备中得到的混合物送入气氛炉中，在高纯氮气或高纯氩气保护下按照1-20℃/min的升温速率升温至900-1200℃保温0.5-6h，而后自然降温到室温后，依次进行酸洗和水洗，得到清洗后的活化产物；
S3.干燥：将所述S2.高温活化得到的清洗后的活化产物进行热风干燥，得到低阶煤基多孔碳。
进一步的，所述低阶煤为褐煤或次烟煤。
进一步的，所述钾基化合物为K2CO3、KOH、K2FeO4中的任意一种。
进一步的，所述S1.混合物制备中，液相浸渍工艺为：将细化煤粉浸渍于碳酸钾溶液中，置于搅拌机中，按照50-500r/min的搅拌速度搅拌均匀，而后在升温到80-200℃烘干，得到混合物。
进一步的，所述S2.高温活化中，酸析液为0.1-2mol/L的盐酸溶液或硝酸溶液。
本发明另一方面提出了利用低阶煤基多孔碳制备超级电容器的应用，具体的，在无水乙醇中，按照质量比为8:1:1分别将选用的煤基多孔碳、导电炭黑和60wt.％聚四氟乙烯乳液(PTFE)研磨均匀成膜，在真空干燥箱中烘干，得到极片薄膜，压制在泡沫镍集流体上，并在真空干燥箱内烘干后作为正负极。
进一步的，真空干燥箱的干燥温度为120℃，干燥时间为12h。
进一步的，组装水系和有机系电容器时，电解液分别选用6mol/L KOH和1mol/LTEA BF4-PC为电解液。
本发明的优点：采用了以上方案，可实现以下优点：采用储量丰富、成本低廉的低阶煤原料，通过混合较高比例的K基化合物(K2CO3、KOH、K2FeO4等)经过高温活化、清洗和干燥过程，就可得到具有较高孔隙率及石墨化度的煤基多孔碳材料，将其构建成超级电容器件，展现出较高的比电容、倍率性能和运行稳定性。与常规碳纳米材料相比，该煤基多孔碳材料制备方法简单、原料成本低、适合宏量制备，有助于促进超级电容器的应用范围的拓展。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1所制备煤基多孔碳的SEM图。
图2为实施例1所制备煤基多孔碳的TEM图。
图3为实施例1所制备煤基多孔碳的氮吸附等温线。
图4为实施例2所制备煤基多孔碳作为有机对称电容器电极材料在不同扫描速率下的循环伏安曲线。
图5为实施例2所制备煤基多孔碳作为有机对称电容器电极材料在不同电流密度下的充放电曲线。
图6为实施例2所制备煤基多孔碳作为有机对称电容器电极材料的交流阻抗曲线。
图7为实施例2所制备煤基多孔碳作为有机对称电容器电极材料在不同电流密度下的能量密度与功率密度图。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例低成本的低阶煤基多孔碳制备方法按以下步骤进行：
一、原料细化
将准东次烟煤粉依次进行破碎、研磨、筛分和干燥，得到80-100目细化煤粉；
二、混合物制备
利用液相浸渍将细化煤粉与碳酸钾混合，得到混合物；
所述液相浸渍工艺为：将碳酸钾溶解于水中得到碳酸钾溶液，将3g细化煤粉与碳酸钾溶液混合并置于搅拌机中搅拌均匀，烘干后得到混合物；所述烘干温度为80℃；所述搅拌机的转速为300r/min；
所述细化煤粉与碳酸钾的质量比为1:3；
三、高温活化
将步骤二中的混合物置于气氛炉内，将气氛炉升温至1200℃并保温1h，保温结束后将气氛炉自然降至室温，得到活化产物；
所述气氛炉的升温速率为5℃/min；
所述气氛炉内的气氛为高纯氮气；
四、活化产物清洗
将活化产物依次进行酸洗处理3次和水洗处理3次，得到清洗后的活化产物；
所述酸洗处理时采用的酸洗液为2mol/L稀盐酸；
五、干燥
将清洗后的活化产物进行热风干燥处理，即得到低阶煤基多孔碳；
所述干燥处理的温度为100℃，时间为8h。
实施例2：
利用实施例1得到的低阶煤基多孔碳制备超级电容器，具体的，
电极制备：在无水乙醇中，按照质量比为8:1:1分别将选用的煤基多孔碳、导电炭黑(Super P)和60wt.％聚四氟乙烯乳液(PTFE)研磨均匀成膜，在真空干燥箱中烘干(干燥温度为120℃，干燥时间为12h)备用。每次取2mg的薄膜用于单片极片制备，面积约为1cm2。
对称超级电容器组装过程：分别选取两个质量相同极片，压制在剪切的直径1.2cm的泡沫镍集流体上，并在真空干燥箱内烘干(120℃下保温12h)后作为正负极。选用1mol/LTEA BF4-PC为电解液组装有机系电容器，裁剪直径为1.6cm的玻璃纤维膜(型号：Whatman)作为隔膜，用CR2032型号的电池壳，在真空手套箱内组装成纽扣型电容器件。
对实施例1得到的低阶煤基多孔碳进行检测，并对实施例2制得的电容器件进行电化学性能测试：
利用电化学工作站(型号：Biologic-VMP3)进行电化学性能测试，包括不同扫描速率下(10-200mV/s)循环伏安曲线(CV)、不同电流密度下(0.5-10A/g)充放电曲线(GC)和交流阻抗曲线(频率：102-105Hz)。分别采用C＝2IΔt/(mΔV)、E＝CV2/8和P＝E/Δt对单个极片的比电容量、能量密度与功率密度进行计算。其中ΔV为去除电压降后的电压区间。
图1为实施例1制备得到的煤基多孔碳的SEM图，从SEM图可以看出所得煤基多孔碳呈现大面积的薄片状结构，图2所制备的低阶煤基多孔碳的TEM图，可以看出所得的低阶煤基多孔碳的类石墨烯条纹结构比例更大，有序度高，无定形结构较少；图3为实施例1所得煤基多孔碳的氮吸附等温线，为典型I/IV型吸附等温线，具有明显的“回滞环”，同时存在微孔和中大孔结构，比表面积1575m2/g，孔容为1.24cm3/g，尤其适合较大电解液离子传输。
图4和图5所示实施例2所制备煤基多孔碳作为有机对称电容器电极材料在不同扫描速率下的循环伏安(CV)曲线和不同电流密度下的充放电(GC)曲线，可以看出CV曲线呈现近-矩形形状，且具有较大的矩形面积；GC曲线呈现比较规则的等腰三角形，说明具有很好的电容特性，这与实施例1所制备的煤基多孔碳具有丰富的介孔结构和较好的石墨化度有关。图6所示实施例2所制备煤基多孔碳作为有机对称电容器电极材料的交流阻抗曲线，可以看出该实施例所制得的有机系对称电容器半圆环直径较小，直线区域的斜率较大，近乎垂直，说明该电容器具有较好的电子与离子传输特性。图7为根据不同电流密度下的GC曲线计算得到的不同电流密度下的能量密度与功率密度图，可见在在0.5A/g电流密度下，以实施例所得煤基多孔碳所构建的有机系对称电容器件的功率密度与能量密度分别为0.337KW/kg和24Wh/kg；即便在10A/g电流密度下，该有机系对称电容器件仍能提供5.75KW/kg和12Wh/kg的功率密度与能量密度，表明其在高电流密度下衰减不明显，说明电化学性能良好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低阶煤基多孔碳制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1.混合物制备：低阶煤进行细化和干燥成度为40-300目的细化煤粉，与钾基化合物采用液相浸渍工艺浸渍，得到混合物；其中细化煤粉和钾基化合物的质量比为1：(2-5)；
S2.高温活化：将S1.混合物制备中得到的混合物送入气氛炉中，在高纯氮气或高纯氩气保护下按照1-20℃/min的升温速率升温至900-1200℃保温0.5-6h，而后自然降温到室温后，依次进行酸洗和水洗，得到清洗后的活化产物；
S3.干燥：将所述S2.高温活化得到的清洗后的活化产物进行热风干燥，得到低阶煤基多孔碳。
2.根据权利要求1所述的一种低阶煤基多孔碳制备方法，其特征在于，所述低阶煤为褐煤或次烟煤。
3.根据权利要求1所述的一种低阶煤基多孔碳制备方法，其特征在于，所述钾基化合物为K2CO3、KOH、K2FeO4中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种低阶煤基多孔碳制备方法，其特征在于，所述S1.混合物制备中，液相浸渍工艺为：将细化煤粉浸渍于碳酸钾溶液中，置于搅拌机中，按照50-500r/min的搅拌速度搅拌均匀，而后再升温到80-200℃烘干，得到混合物。
5.根据权利要求1所述的一种低阶煤基多孔碳制备方法，其特征在于，所述S2.高温活化中，酸析液为0.1-2mol/L的盐酸溶液或硝酸溶液。
6.根据权利要求1所述的一种低阶煤基多孔碳制备方法，其特征在于，所述S3.干燥中，热风干燥的干燥温度为80-200℃，干燥时间为2-24h。
7.根据权利要求1-6所述的一种低阶煤基多孔碳制备方法制备的低阶煤基多孔碳的应用，其特征在于，所述低阶煤基多孔碳用于制备超级电容器。
8.根据权利要求7所述的低阶煤基多孔碳的应用，其特征在于，在无水乙醇中，按照质量比为8:1:1分别将选用的煤基多孔碳、导电炭黑和60wt.％聚四氟乙烯乳液(PTFE)研磨均匀成膜，在真空干燥箱中烘干，得到极片薄膜，压制在泡沫镍集流体上，并在真空干燥箱内烘干后作为正负极。
9.根据权利要求8所述的低阶煤基多孔碳的应用，其特征在于，真空干燥箱的干燥温度为120℃，干燥时间为12h。
10.根据权利要求8所述的低阶煤基多孔碳的应用，其特征在于，组装水系和有机系电容器时，电解液分别选用6mol/L KOH和1mol/L TEA BF4-PC为电解液。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112794319A (zh) * 2020-12-07 2021-05-14 铜仁学院 一种焦煤基高倍率石墨负极材料的制备方法
CN113307267A (zh) * 2021-06-24 2021-08-27 中国矿业大学 一种煤基多孔碳的制备方法
CN114229821A (zh) * 2021-07-28 2022-03-25 山东科技大学 一种低阶煤热溶有机质制备多孔碳材料的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100650618B1 (ko) * 2005-10-13 2006-11-29 재단법인 포항산업과학연구원 캐패시터 전극용 고 비표면적을 갖는 활성탄 제조방법
CN104817082A (zh) * 2015-05-22 2015-08-05 安徽工业大学 一种以褐煤为原料制备超级电容器用富氮多孔炭材料的方法
CN110330016A (zh) * 2019-08-10 2019-10-15 哈尔滨工业大学 一种无烟煤基多孔碳石墨微晶和孔隙的一步协同发展方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100650618B1 (ko) * 2005-10-13 2006-11-29 재단법인 포항산업과학연구원 캐패시터 전극용 고 비표면적을 갖는 활성탄 제조방법
CN104817082A (zh) * 2015-05-22 2015-08-05 安徽工业大学 一种以褐煤为原料制备超级电容器用富氮多孔炭材料的方法
CN110330016A (zh) * 2019-08-10 2019-10-15 哈尔滨工业大学 一种无烟煤基多孔碳石墨微晶和孔隙的一步协同发展方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIJUN LI,ET AL: "《Activated Carbon Prepared from Lignite as Supercapacitor Electrode Materials》", 《ELECTROANALYSIS》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112794319A (zh) * 2020-12-07 2021-05-14 铜仁学院 一种焦煤基高倍率石墨负极材料的制备方法
CN113307267A (zh) * 2021-06-24 2021-08-27 中国矿业大学 一种煤基多孔碳的制备方法
CN114229821A (zh) * 2021-07-28 2022-03-25 山东科技大学 一种低阶煤热溶有机质制备多孔碳材料的方法

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