[發明專利]石墨烯/多孔氧化鎳復合超級電容器薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201010547384.0
• 申請日: 2010-11-16
• 公開（公告）號: CN102013330B
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 涂江平;夏新輝;麥永津;王秀麗;谷長棟
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01G9/04
• 分類號: H01G9/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及碳材料與過渡金屬化合物復合超級電容器薄膜及其制備方法， 尤其是石墨烯/多孔氧化鎳復合超級電容器薄膜及其制備方法。

背景技術

超級電容器是一種性能介于電池與傳統電容器之間的高能、綠色儲能器件， 具有功率密度高、充放電速度快、循環壽命長和工作溫度范圍寬等優點，在電 動汽車、通訊、電子消費和信號控制等領域具有廣闊的應用前景。電極材料是 超級電容器的核心部件，其性能直接決定了整體器件的品質。隨著超級電容器 應用領域的拓展和深入，研究開發具有高比電容量、高循環壽命的電極材料變 得尤為迫切。

碳基材料是研究最早，應用最廣泛的超電容材料，主要應用于雙電層電容 器。碳基材料由于具有超大的比表面積(2000mg^-1)和極小的雙電層間距(＜10 )從而形成超大電荷儲存能力。碳基材料具有高循環壽命特點(10⁶次)，但存 在放電容量較低(＜200Fg^-1)及大電流充放電電容衰減較快等問題。另一方面 過渡金屬氧化物基電容器因其高比電容而引起了人們極大的興趣。過渡金屬氧 化物基電容器屬于法拉第贗電容器，其電荷儲存過程不僅包括雙電層上的存儲， 而且通過電極上發生快速氧化還原反應儲存能量，產生遠高于碳基材料的比電 容(可達碳材材料的3～7倍)，但該類材料的循環穩定性不夠理想(＜10⁵次)， 不能滿足實際應用。因此對這兩種不同屬性材料進行復合，利用各自的優點將 可能形成具有高容量高循環壽命的超電容材料。

超級電容器放電過程是一個電化學反應過程，其中涉及電子和離子的雙重 注入/抽出，因此材料的超電容性能與器表面形貌緊密相連。提高材料超電容性 能的一個有效途徑是對材料進行多孔化設計，制備多孔結構的超電容薄膜，其 三維立體交叉多孔結構不但能提供較大的反應活性面積，并能為反應離子提供 良好的短距擴散通道。

發明內容

本發明的目的是為提高超電容材料的放電比電容和循環壽命，而提出的一 種石墨烯/多孔氧化鎳復合超電容薄膜及其制備方法。

本發明的石墨烯/多孔氧化鎳復合超電容薄膜具有無序的納米多孔結構，孔 徑范圍10-350nm，薄膜厚度1-5μm，石墨烯與氧化鎳的重量比為0.5∶100- 2∶100。

石墨烯/多孔氧化鎳復合超級電容器薄膜的制備方法，其步驟如下：

(1)將氧化石墨片和硝酸鎂按重量比100∶1溶于異丙醇溶液中形成帶正電 荷氧化石墨片溶膠。

(2)以泡沫鎳為工作電極，光學鉑片為輔助電極，以步驟(1)制備的氧化石 墨片溶膠為電解液，在電化學雙電極體系中施加電壓為50-150V，反應時間30s- 5min。

(3)樣品取出自然晾干后經60-90℃飽和水合肼氣氛還原形成石墨烯薄膜。

(4)將硫酸鎳和過硫酸鉀按重量比6∶1溶于去離子水中，得到硫酸鎳溶液， 將步驟(3)制備的石墨烯薄膜垂直浸置于硫酸鎳溶液中，然后加入質量濃度20 ％氨水，氨水和硫酸鎳的重量比為1.5∶1。

(5)在20-50℃下劇烈攪拌反應1-5h后取出樣品，自然晾干后在300-450℃ 氬氣條件下煅燒1-2小時，制得石墨烯/多孔氧化鎳復合超級電容器薄膜。

石墨烯/多孔氧化鎳復合超級電容器薄膜的厚度可以根據反應時間來控制， 其孔徑大小可以通過煅燒溫度來調整。制備的氧化鎳薄膜具有三維立體交叉網 絡結構，薄膜的孔徑大小10-350nm，薄膜厚度1-5μm。

本發明以石墨烯薄膜為沉積載體，通過化學浴鍍膜法制備三維多孔的石墨 烯/多孔氧化鎳復合超級電容器薄膜。多孔網絡有利于增大薄膜電極和電解液的 接觸面積，并提供更大有效的活性反應面積，同時為電化學反應提供良好的電 子和離子擴散通道，縮短離子到超電容薄膜的擴散距離提高超電容性能。

本發明制備的石墨烯/多孔氧化鎳復合超級電容器薄膜循環穩定性好，充放 電容量高，高倍率性能優異，材料導電性高，尤其適合超大充放電流條件下工作。

附圖說明

圖1石墨烯/多孔氧化鎳復合超級電容器薄膜掃描電鏡圖。

具體實施方式

實施例1：