一种桥联导电网络增强型高活性组分SSA电极及其制备工艺和应用的制作方法

本发明属于电化学碳捕集，尤其涉及一种桥联导电网络增强型高活性组分ssa电极及其制备工艺和应用。

背景技术：

1、随着全球对环境保护目标的持续推进，二氧化碳捕集、利用与封存（carboncapture, utilization and storage，ccus）技术受到广泛关注。超级电容摆动吸附（supercapacitive swing adsorption，ssa）作为一种新型电化学二氧化碳捕集技术，具有无需化学吸附剂、循环性能较好、能耗相对较低以及便于模块化应用等特点，在电化学碳捕集领域具有一定的应用前景。ssa技术主要利用电极材料在充放电过程中形成的电双层结构实现二氧化碳的吸附与脱附。充电过程中，电极表面电荷密度增加，有利于二氧化碳在电极界面富集；放电过程中，电极表面电荷减少，吸附的二氧化碳释放，从而实现二氧化碳的可逆吸附与脱附。ssa电极的二氧化碳吸附容量、吸附速率、循环稳定性及能耗等性能与电极材料组成、导电性能及孔结构等因素密切相关。

2、目前，ssa电极通常以活性炭作为吸附材料，以导电炭黑作为导电剂，以聚四氟乙烯（ptfe）作为粘结剂，并配合面筋粉等成膜辅助剂，通过混合、压制等工艺制备而成。已有技术中，中国专利cn117650015a公开了一种超级电容摆动吸附碳捕集电极及其制备工艺，采用复合活性炭、导电炭黑及ptfe制备电极，但未对导电网络结构进行优化，导电剂主要以颗粒状分布，电极导电通路连续性仍有进一步改善空间。中国专利cn116328609a公开了一种用于电化学碳捕集的多孔碳电极制备工艺，通过物理活化提高活性炭比表面积，但未对非活性组分含量进行优化，导电剂及粘结剂占比较高，对单位质量电极中活性组分比例具有一定影响。文献《enhancing supercapacitive swing adsorption of co2 withadvanced activated carbon electrodes》（advanced sustainable systems，2023）报道了传统ssa电极的性能研究，其采用炭黑颗粒构建导电网络，在电极压实后导电通路连续性有所下降，高电流密度条件下电极容量衰减较为明显。

3、现有ssa电极在材料组成及导电结构方面仍存在进一步优化空间。

4、一方面，现有ssa电极中通常包含一定比例的ptfe粘结剂、面筋粉等成膜辅助剂及导电炭黑等非活性组分。其中，ptfe粘结剂含量一般为5～15 wt%，面筋粉含量一般为2～10wt%，导电炭黑含量一般为3～10 wt%，非活性组分总含量通常可达15～30 wt%。非活性组分虽然有助于保证电极的机械强度及导电性能，但其不参与二氧化碳吸附，随着其含量增加，单位质量电极中活性炭比例相应降低，从而可能对电极吸附容量及电化学性能产生一定影响。

5、另一方面，传统导电炭黑主要以颗粒状形式分散于电极中，其导电网络主要依靠颗粒之间的接触形成。当电极压制成型后，颗粒之间的接触状态可能发生变化，局部导电通路连续性降低，导致电极内阻增加，影响电子传输效率。同时，由于活性炭颗粒之间接触面积有限，部分区域的电子传输能力相对较弱，可能影响电极整体电荷利用率。此外，为提高电极压实密度而进行压制时，还可能对孔结构及传质过程产生一定影响，因此需要综合考虑导电性能、孔结构及压实密度之间的匹配关系。

6、因此，开发一种在保持较高活性组分含量的同时，能够改善导电网络连续性、提高电荷利用率并兼顾二氧化碳吸附性能的电极是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中ssa电极导电网络连续性不足、非活性组分占比较高以及电荷利用率有待提高等问题，本发明提供一种桥联导电网络增强型高活性组分ssa电极及其制备工艺和应用。

2、本发明采用具有较高长径比的桥联导电材料，在活性炭颗粒之间形成连续导电连接，以改善电极内部导电网络的连续性，提高电子传输效率。同时，通过优化桥联导电材料的添加量及电极配方，降低非活性组分在电极中的占比，提高单位质量电极中活性组分的比例。在此基础上，结合多级辊压成型工艺，使电极在保持较高压实密度的同时维持导电网络的连续性，从而改善电极的电化学性能及二氧化碳吸附性能。

3、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种桥联导电网络增强型高活性组分ssa电极，其按重量份数比包括如下组分：

5、活性炭：80～95份、导电炭黑：1～10份、桥联导电材料：0.1～5份、粘结剂：1.5～8份、成膜辅助剂：0.1～3份；

6、其中，活性炭与桥联导电材料的质量配比、以及桥联导电材料的几何尺寸满足如下关系式：

7、；

8、关系式中为所述桥联导电材料在电极中的重量份数比；为所述活性炭在电极中的重量份数比，l为所述桥联导电材料的平均长度；d为所述桥联导电材料的平均直径。

9、其中，活性炭为85～90份，桥联导电材料为0.8～3.5份，导电炭黑为2~7份，粘结剂为1.5～3.5份，成膜辅助剂为0.2～1.5份。进一步的，活性炭优选为87～90份，桥联导电材料优选为0.8～1.5份。

10、其中，所述桥联导电材料的平均直径d为5～150nm，所述桥联导电材料的平均长度l为5～50μm。

11、其中，所述桥联导电材料选自气相生长碳纤维、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯纤维中的一种或多种；其中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种；所述碳纳米纤维为气相生长碳纳米纤维、静电纺丝碳纳米纤维中的至少一种；所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶中的一种或多种；所述成膜辅助剂为面筋粉、淀粉、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一种或多种。

12、其中，所述活性炭为比表面积为1500～3500m2/g、孔容为0.5～2.0cm3/g、平均孔径为1.0～4.0nm的超级电容用活性炭；所述活性炭颗粒的中位粒径d50为5～20μm。

13、上述的桥联导电网络增强型高活性组分ssa电极的制备工艺，其包括以下步骤：

14、s1：按重量份数比称取活性炭、导电炭黑、桥联导电材料、粘结剂以及成膜辅助剂；

15、s2：将桥联导电材料加入乙醇中，通过超声进行预分散，得到桥联导电材料分散液；

16、s3：将活性炭和导电炭黑加入所述桥联导电材料分散液中，进行主分散处理，使桥联导电材料均匀包覆并桥联活性炭颗粒；

17、s4：将粘结剂和成膜辅助剂加入步骤s3得到的分散体系中，进行低强度混合得到浆料，浆料中粘结剂和成膜辅助剂均匀分布且不破坏已形成的桥联结构；

18、s5：将步骤s4得到的浆料在40～100℃条件下蒸发分散介质，得到均匀湿态前驱体；

19、s6：将所述湿态前驱体压制成电极片；

20、s7：对所述电极片进行辊压致密化处理；

21、s8：将辊压后的电极片在80~120℃条件下真空干燥6~24小时，得到桥联导电网络增强型高活性组分ssa电极。

22、其中，步骤s3中的主分散处理采用球磨分散、高速剪切分散或行星式混合分散；

23、步骤s4中的低强度混合采用行星式搅拌，搅拌转速为50～200rpm，搅拌时间为0.5～2小时。

24、其中，步骤s5中的蒸发采用水浴加热蒸发或减压旋转蒸发；

25、步骤s6中的压制采用模压或辊压预压，压制的压力为1～10mpa；

26、步骤s7中的辊压致密化处理的总压缩率为30～70%。总压缩率是指电极片经辊压后厚度减少量与原始厚度之比。

27、其中，步骤s7中的辊压致密化处理为多级辊压致密化处理，多级辊压致密化处理具体包括：第一级辊压压力为5～20mpa，辊压次数为1～3次；第二级辊压压力为20～50mpa，辊压次数为2～5次。

28、上述的桥联导电网络增强型高活性组分ssa电极在超级电容摆动吸附二氧化碳中的应用，其是将上述的桥联导电网络增强型高活性组分ssa电极和电解液组装成ssa碳捕集单元，通过充放电循环实现二氧化碳的吸附与解吸。

29、本发明的有益效果如下：

30、（1）在组分层面，本发明通过引入桥联导电材料并优化其与活性炭的配比关系，在保证电极结构稳定性的前提下，降低了非活性组分占比，使单位质量电极中活性吸附位点密度显著增加，为提升co2吸附容量提供了物质基础。本发明的ssa电极中，导电炭黑与桥联导电材料在电极中承担不同尺度、不同机制的导电功能，二者并非替代关系，而是空间尺度上的互补关系；导电炭黑为0维材料，其为点接触，提供短程电子跳跃通道，属于“补缺型”导电剂；桥联导电材料（高长径比纤维/管）为1维材料，为线接触。

31、（2）在导电机制层面，区别于传统颗粒接触式导电，本发明利用高长径比桥联材料在活性炭颗粒间形成贯穿式的连续导电连接，显著改善了电子传输路径，有效降低了电极内阻，从而提高了电荷利用率和电化学响应速度。

32、（3）在工艺协同层面，本发明将桥联导电网络与多级辊压致密化工艺相结合，使电极在较高的压实密度下仍能维持导电网络的连续性与结构完整性，克服了传统电极因高压实导致孔道塌缩与导电劣化的矛盾，实现了导电性能与传质性能的兼顾。

33、（4）在应用与工业化层面，本发明所得ssa电极在co2吸附容量和吸附速率上均表现优异，能够满足超级电容摆动吸附碳捕集技术的性能需求；且制备工艺基于常规混合、压制及辊压设备，操作窗口宽、参数可控、重现性好，具备良好的工业化推广前景。