通過夾帶流方法對碳進(jìn)行化學(xué)活化的制作方法
【專利說明】
[0001]相關(guān)申請交叉參考
[0002] 本申請根據(jù)35U.S.C.§119,要求2013年2月28日提交的美國專利申請系列第61/ 770,491號的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請為基礎(chǔ)并將其全文通過引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明一般地涉及形成活性炭的方法，更具體地，涉及通過夾帶流方法對碳進(jìn)行 化學(xué)活化。
【背景技術(shù)】
[0004] 超級電容器之類的儲(chǔ)能裝置可以用于許多例如需要離散功率脈沖的應(yīng)用。示例性 應(yīng)用從手機(jī)到混合動(dòng)力汽車。在需要高功率、長壽命和/或長循環(huán)壽命的應(yīng)用中，超級電容 器已經(jīng)被用作電池的替代品。超級電容器通常包含夾在一對碳基電極之間的多孔分隔器和 有機(jī)電解質(zhì)。能量的儲(chǔ)存是通過將電化學(xué)雙層中的電荷分離并儲(chǔ)存在電極和電解質(zhì)之間的 界面處來實(shí)現(xiàn)的。這些裝置的重要特性是它們可提供的能量密度和功率密度，所述能量密 度和功率密度在很大程度上都取決于電極中所含的碳的性質(zhì)。
[0005] 已知碳基電極適合用于儲(chǔ)能裝置。得益于活性炭的大表面積、導(dǎo)電性、離子電容 性、化學(xué)穩(wěn)定性和/或低成本，其被廣泛地用作超級電容器中的多孔材料。采用天然前體材 料(例如煤、堅(jiān)果殼和生物質(zhì))或者合成材料(例如酚醛樹脂）制造活性炭。無論是天然前體 還是合成前體，活性炭均可通過先使得前體碳化，然后使得中間產(chǎn)物活化來形成?；罨梢?包括在提升的溫度下的化學(xué)活化或者物理活化(例如，蒸汽或C0 2)，以增加孔隙率進(jìn)而增加 碳的表面積。
[0006] 物理和化學(xué)活化過程通常都涉及大的熱衡算，以對碳化的材料進(jìn)行加熱并與活化 劑發(fā)生反應(yīng)。在化學(xué)活化的情況下，當(dāng)對碳化的材料進(jìn)行加熱并與化學(xué)活化劑(例如Κ0Η)發(fā) 生反應(yīng)時(shí)，會(huì)形成腐蝕性副產(chǎn)物。此外，可能在碳化的材料的加熱和反應(yīng)過程中發(fā)生相變 化，并且化學(xué)活化劑可能導(dǎo)致加工過程中混合物的團(tuán)聚。這些缺陷會(huì)增加整體工藝的復(fù)雜 度和成本，特別是對于在提升的溫度下進(jìn)行延長的時(shí)間段的反應(yīng)。
[0007] 已經(jīng)報(bào)道了當(dāng)腐蝕性物質(zhì)（例如Κ0Η)用于碳的化學(xué)活化時(shí)的顯著問題。例如，當(dāng)在 碳活化中使用回轉(zhuǎn)窯時(shí)，通常要求進(jìn)料在活化溫度下的處理之前經(jīng)受煅燒和/或干燥和/或 脫水。團(tuán)聚傾向于引起明顯問題，例如在連續(xù)過程中（例如采用螺旋捏合機(jī)的工藝中），工藝 復(fù)雜度和/或成本的增加。采用其他技術(shù)(例如輥道爐床)作為避免團(tuán)聚問題的方法，其中， 使裝載有活性混合材料的碟子通過多區(qū)域隧道爐。此類爐可能是操作上具有高成本的，并 且可能具有有限的輸出，因?yàn)橐淮蝺H有一個(gè)碟層通過爐。爐寬度也是輥道爐床的輸出的限 制因素，因?yàn)榭缭綘t子的輥道長度受到材料可行性以及使用溫度下的強(qiáng)度的限制。
[0008] 因此，提供活性炭材料和采用更經(jīng)濟(jì)的化學(xué)活化路徑來形成活性炭材料，同時(shí)使 得腐蝕和/或團(tuán)聚的技術(shù)問題最小化的方法是有利的。所得到的活性炭材料可具有高的表 面積與體積比，并且可用于形成碳基電極，其實(shí)現(xiàn)了高效、長壽和高能量密度的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在各個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及用于形成活性炭的方法，該方法包括:提供進(jìn)料混 合物，所述進(jìn)料混合物包含碳進(jìn)料和至少一種化學(xué)活化劑;將進(jìn)料混合物引入到反應(yīng)器中； 通過將熱流引入到反應(yīng)器中，將進(jìn)料混合物快速加熱到至少是固化溫度;將經(jīng)加熱的進(jìn)料 混合物引入到反應(yīng)容器中；以及在反應(yīng)容器中，將經(jīng)加熱的進(jìn)料混合物在一定溫度下保持 一定的時(shí)間，其足以使得碳進(jìn)料與所述至少一種化學(xué)活化劑反應(yīng)以形成活性炭。
[0010] 根據(jù)各個(gè)實(shí)施方式中，進(jìn)料混合物的快速加熱包括在一段足以使得進(jìn)料混合物在 整個(gè)加熱階段維持基本固體狀態(tài)的時(shí)間段內(nèi)，對混合物進(jìn)行加熱。
[0011] 在某些實(shí)施方式中，進(jìn)料混合物中的化學(xué)活化劑與碳進(jìn)料的質(zhì)量比約為0.5:1至 5:1。在各個(gè)實(shí)施方式中，進(jìn)料混合物可以包括碳進(jìn)料與所述至少一種化學(xué)活化劑的顆?；?合物，即干燥組分或基本干燥組分的粉末或顆?；旌衔铩Ｔ诟鱾€(gè)實(shí)施方式中，反應(yīng)器可以是 夾帶流反應(yīng)器，例如在反應(yīng)器中，進(jìn)料混合物被夾帶在熱流中。在一些非限制性實(shí)施方式 中，所述至少一種化學(xué)活化劑包括Κ0Η，熱流包括蒸汽或者氣體(例如蒸汽和氮?dú)猓┑幕旌?物。
[0012] 在以下的詳細(xì)描述中提出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)所作描述就容易看出，或者通過實(shí)施包括以下詳細(xì)描述、權(quán)利 要求書以及附圖在內(nèi)的本文所述的各種實(shí)施方式而被認(rèn)識。
[0013] 應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都只是本發(fā)明的各種實(shí)施方式，用 來提供理解本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發(fā)明的進(jìn)一步 的理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖舉例說明了本發(fā)明的各種 實(shí)施方式，并與描述一起用來解釋本發(fā)明的原理和操作。
【附圖說明】
[0014] 結(jié)合以下附圖閱讀本發(fā)明，便可以最好地理解下文中的發(fā)明詳述，圖中相同的結(jié) 構(gòu)用相同的編號表不：
[0015]圖1是封閉體系中，Κ0Η和碳的估計(jì)平衡相圖；以及
[0016] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，用于制備活性炭的系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明揭示了用于制造活性炭的方法，該方法包括:提供進(jìn)料混合物，所述進(jìn)料混 合物包含碳進(jìn)料和至少一種化學(xué)活化劑;將進(jìn)料混合物引入到反應(yīng)器中；通過將熱流（例 如，氣流）引入到反應(yīng)器中，將進(jìn)料混合物快速加熱到至少是固化溫度;將經(jīng)加熱的進(jìn)料混 合物引入到反應(yīng)容器中；以及在反應(yīng)容器中，將經(jīng)加熱的進(jìn)料混合物在一定溫度下保持一 定的時(shí)間，其足以使得碳進(jìn)料與所述化學(xué)活化劑反應(yīng)以形成活性炭。
[0018] 本文所用術(shù)語"固化溫度"及其變化形式旨在表示至少一種液體至固體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致 基本不含液體的溫度，即基本固體塊狀混合物，其中液體至固體的轉(zhuǎn)變與溫度的增加相關(guān)。 類似地，術(shù)語"熔化溫度"及其變化形式旨在表示至少一種固體至液體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致在塊狀混合 物中引入至少一個(gè)液相的溫度，其中固體至液體的轉(zhuǎn)變與溫度的增加相關(guān)。
[0019] 根據(jù)各個(gè)實(shí)施方式，碳進(jìn)料可包括碳化的材料，例如煤或者源自碳前體的碳化的 材料。示例性碳前體包括天然材料(例如，堅(jiān)果殼、木材、生物質(zhì)、非木質(zhì)纖維素來源）以及合 成材料(例如，酚醛樹脂，包括聚（乙烯醇)和聚（丙烯腈））。例如，碳前體可以包括可食用谷 物，例如小麥粉、胡桃粉、玉米粉、玉米淀粉、玉米面、米粉和馬鈴薯粉。其他碳前體包括椰子 殼、甜菜、粟、大豆、大麥和棉花。碳前體可以源自作物或植物，它們可以是轉(zhuǎn)基因的，也可以 不是轉(zhuǎn)基因的。
[0020] 其他示例性碳前體材料和形成碳進(jìn)料的相關(guān)方法如共同擁有的美國專利申請第 12/335,044號、第12/335,078號、第12/788,478號和第12/970,073號所述，它們?nèi)耐ㄟ^引 用結(jié)合入本文。
[0021] 可以通過在惰性或還原氣氛中加熱，使得碳前體材料被碳化以形成碳進(jìn)料。示例 性惰性或還原氣體和氣體混合物包括氫氣、氮?dú)?、氨氣、氦氣和氬氣中的一種或多種。在一 個(gè)示例性過程中，可以在約500-950°C的溫度（例如500、550、600、650、700、750、800、850、 900或者950°C，包括所有的范圍和子范圍）對碳前體加熱預(yù)定的時(shí)間（例如0.5、1、2、4、8小 時(shí)或更久，包括所有的范圍和子范圍），然后任選地進(jìn)行冷卻。在碳化過程中，碳前體可以被 還原或者分解以形成碳進(jìn)料。
[0022] 在各個(gè)實(shí)施方式中，可以采用常規(guī)爐或者通過采用微波能在微波反應(yīng)器內(nèi)加熱， 來進(jìn)行碳化。例如，碳前體可以暴露于微波能，從而在微波反應(yīng)器內(nèi)對其進(jìn)行加熱并還原成 炭，以形成碳進(jìn)料，然后將其與化學(xué)活化劑結(jié)合以形成進(jìn)料混合物?？紤]可以使用單種碳前 體材料或者前體材料的組合，以優(yōu)化活性炭產(chǎn)物的性質(zhì)。
[0023] 可以通過結(jié)合碳進(jìn)料和至少一種化學(xué)活化劑來制備進(jìn)料混合物。在某些實(shí)施方式 中