通過夾帶流方法對碳進行化學活化的制作方法
【專利說明】
[0001]相關申請交叉參考
[0002] 本申請根據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號的優先權，本文以該申請為基礎并將其全文通過引用結合于此。
技術領域
[0003] 本發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行 化學活化。
【背景技術】
[0004] 超級電容器之類的儲能裝置可以用于許多例如需要離散功率脈沖的應用。示例性 應用從手機到混合動力汽車。在需要高功率、長壽命和/或長循環壽命的應用中，超級電容 器已經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 有機電解質。能量的儲存是通過將電化學雙層中的電荷分離并儲存在電極和電解質之間的 界面處來實現的。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。
[0005] 已知碳基電極適合用于儲能裝置。得益于活性炭的大表面積、導電性、離子電容 性、化學穩定性和/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、堅果殼和生物質)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，然后使得中間產物活化來形成。活化可以 包括在提升的溫度下的化學活化或者物理活化(例如，蒸汽或C0 2)，以增加孔隙率進而增加 碳的表面積。
[0006] 物理和化學活化過程通常都涉及大的熱衡算，以對碳化的材料進行加熱并與活化 劑發生反應。在化學活化的情況下，當對碳化的材料進行加熱并與化學活化劑(例如Κ0Η)發 生反應時，會形成腐蝕性副產物。此外，可能在碳化的材料的加熱和反應過程中發生相變 化，并且化學活化劑可能導致加工過程中混合物的團聚。這些缺陷會增加整體工藝的復雜 度和成本，特別是對于在提升的溫度下進行延長的時間段的反應。
[0007] 已經報道了當腐蝕性物質（例如Κ0Η)用于碳的化學活化時的顯著問題。例如，當在 碳活化中使用回轉窯時，通常要求進料在活化溫度下的處理之前經受煅燒和/或干燥和/或 脫水。團聚傾向于引起明顯問題，例如在連續過程中（例如采用螺旋捏合機的工藝中），工藝 復雜度和/或成本的增加。采用其他技術(例如輥道爐床)作為避免團聚問題的方法，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，因為一次僅有一個碟層通過爐。爐寬度也是輥道爐床的輸出的限 制因素，因為跨越爐子的輥道長度受到材料可行性以及使用溫度下的強度的限制。
[0008] 因此，提供活性炭材料和采用更經濟的化學活化路徑來形成活性炭材料，同時使 得腐蝕和/或團聚的技術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，其實現了高效、長壽和高能量密度的裝置。
【發明內容】
[0009] 在各個實施方式中，本發明涉及用于形成活性炭的方法，該方法包括:提供進料混 合物，所述進料混合物包含碳進料和至少一種化學活化劑;將進料混合物引入到反應器中； 通過將熱流引入到反應器中，將進料混合物快速加熱到至少是固化溫度;將經加熱的進料 混合物引入到反應容器中；以及在反應容器中，將經加熱的進料混合物在一定溫度下保持 一定的時間，其足以使得碳進料與所述至少一種化學活化劑反應以形成活性炭。
[0010] 根據各個實施方式中，進料混合物的快速加熱包括在一段足以使得進料混合物在 整個加熱階段維持基本固體狀態的時間段內，對混合物進行加熱。
[0011] 在某些實施方式中，進料混合物中的化學活化劑與碳進料的質量比約為0.5:1至 5:1。在各個實施方式中，進料混合物可以包括碳進料與所述至少一種化學活化劑的顆粒混 合物，即干燥組分或基本干燥組分的粉末或顆粒混合物。在各個實施方式中，反應器可以是 夾帶流反應器，例如在反應器中，進料混合物被夾帶在熱流中。在一些非限制性實施方式 中，所述至少一種化學活化劑包括Κ0Η，熱流包括蒸汽或者氣體(例如蒸汽和氮氣）的混合 物。
[0012] 在以下的詳細描述中提出了本發明的其他特征和優點，其中的部分特征和優點對 本領域的技術人員而言，根據所作描述就容易看出，或者通過實施包括以下詳細描述、權利 要求書以及附圖在內的本文所述的各種實施方式而被認識。
[0013] 應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都只是本發明的各種實施方式，用 來提供理解本發明的性質和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本發明的進一步 的理解，附圖被結合在本說明書中并構成說明書的一部分。附圖舉例說明了本發明的各種 實施方式，并與描述一起用來解釋本發明的原理和操作。
【附圖說明】
[0014] 結合以下附圖閱讀本發明，便可以最好地理解下文中的發明詳述，圖中相同的結 構用相同的編號表不：
[0015]圖1是封閉體系中，Κ0Η和碳的估計平衡相圖；以及
[0016] 圖2是根據本發明的一個實施方式，用于制備活性炭的系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 本發明揭示了用于制造活性炭的方法，該方法包括:提供進料混合物，所述進料混 合物包含碳進料和至少一種化學活化劑;將進料混合物引入到反應器中；通過將熱流（例 如，氣流）引入到反應器中，將進料混合物快速加熱到至少是固化溫度;將經加熱的進料混 合物引入到反應容器中；以及在反應容器中，將經加熱的進料混合物在一定溫度下保持一 定的時間，其足以使得碳進料與所述化學活化劑反應以形成活性炭。
[0018] 本文所用術語"固化溫度"及其變化形式旨在表示至少一種液體至固體轉變導致 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變與溫度的增加相關。 類似地，術語"熔化溫度"及其變化形式旨在表示至少一種固體至液體轉變導致在塊狀混合 物中引入至少一個液相的溫度，其中固體至液體的轉變與溫度的增加相關。
[0019] 根據各個實施方式，碳進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，堅果殼、木材、生物質、非木質纖維素來源）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，它們可以是轉基因的，也可以 不是轉基因的。
[0020] 其他示例性碳前體材料和形成碳進料的相關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，它們全文通過引 用結合入本文。
[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料。示例 性惰性或還原氣體和氣體混合物包括氫氣、氮氣、氨氣、氦氣和氬氣中的一種或多種。在一 個示例性過程中，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）對碳前體加熱預定的時間（例如0.5、1、2、4、8小 時或更久，包括所有的范圍和子范圍），然后任選地進行冷卻。在碳化過程中，碳前體可以被 還原或者分解以形成碳進料。
[0022] 在各個實施方式中，可以采用常規爐或者通過采用微波能在微波反應器內加熱， 來進行碳化。例如，碳前體可以暴露于微波能，從而在微波反應器內對其進行加熱并還原成 炭，以形成碳進料，然后將其與化學活化劑結合以形成進料混合物。考慮可以使用單種碳前 體材料或者前體材料的組合，以優化活性炭產物的性質。
[0023] 可以通過結合碳進料和至少一種化學活化劑來制備進料混合物。在某些實施方式 中