[發(fā)明專利]制備石墨烯/氫氧化鈷超級(jí)電容器復(fù)合電極材料的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110242266.3
• 申請(qǐng)日: 2011-08-23
• 公開（公告）號(hào): CN102354610A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭偉濤;王欣;趙翠梅;趙云霄
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G9/042
• 分類號(hào): H01G9/042
• 代理公司: 長(zhǎng)春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電化學(xué)超級(jí)電容器復(fù)合電極材料的制備方法。具體涉及到使用化學(xué)氣相沉積方法在泡沫鎳基底上制備豎直生長(zhǎng)的少層石墨烯，并以此為基底，通過電化學(xué)沉積的方法沉積氫氧化物，實(shí)現(xiàn)電極材料的復(fù)合。

背景技術(shù)

隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)能源的需求飛速增長(zhǎng)，全球變暖和能源危機(jī)已成為人類必須面臨的兩個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，發(fā)展新型的能量存儲(chǔ)裝置成為21世紀(jì)人類解決能源問題新的有效途徑。電化學(xué)超級(jí)電容器兼有傳統(tǒng)電容器高的比功率和蓄電池高的比能量的特點(diǎn)，可廣泛用于信息、電子、能源、環(huán)境、交通和軍工等領(lǐng)域，而開發(fā)一種生產(chǎn)成本低、較大容量、具有優(yōu)異瞬時(shí)充放電性能、循環(huán)性好的的電化學(xué)電容器電極材料迫在眉睫。

目前電極材料的制備主要集中在兩類：用作雙電層電容器的各種碳材料，其特點(diǎn)是導(dǎo)電率高、表面積大、具有合適的孔徑分布、穩(wěn)定性好，但比容一般較低；另一類是用作法拉第電容器的導(dǎo)電聚合物材料及金屬氧化物材料等，其比容一般較高，但穩(wěn)定性較差，其中氧化釕比容量高、導(dǎo)電性好、在電解液中非常穩(wěn)定，是目前性能最為優(yōu)良的超級(jí)電容器電極材料，但是由于釕屬于稀貴金屬，資源有限，價(jià)格過高，對(duì)環(huán)境有污染，無法在短期內(nèi)進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，尋找低成本高性能的替代材料是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。石墨烯具有高的比表面積，良好的導(dǎo)電性導(dǎo)熱性，柔韌性好，力學(xué)強(qiáng)度高，因而預(yù)示著石墨烯可以作為性能穩(wěn)定的超薄型電極材料。金屬氧化物/氫氧化物如RuO₂，IrO₂，MnO₂，NiO_x/Ni(OH)₂等以其高的贗電容性能可以與碳材料復(fù)合獲得具有高比容的復(fù)合材料，但目前報(bào)道的石墨烯復(fù)合電極材料比容還是很低的。氫氧化鈷本身具有多層結(jié)構(gòu)和大的層間距，高的理論比容3560F/g，高的循環(huán)特性，低成本，是極具研究前景的電極材料，但是目前報(bào)道的比容和理論比容還有很大距離。關(guān)于石墨烯與金屬氧化物/氫氧化物的復(fù)合主要集中于水熱法，化學(xué)沉淀法等，并沒有關(guān)于化學(xué)氣相沉積方法在泡沫鎳基底上生長(zhǎng)少層石墨烯，并以此為基底用電化學(xué)沉積的方法實(shí)現(xiàn)石墨烯/氫氧化物復(fù)合作為電極材料的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，從以上背景出發(fā)，提出一種新型的制備超級(jí)電容器復(fù)合電極材料的方法。特別是一種制備石墨烯/氫氧化鈷超級(jí)電容器復(fù)合電極材料的方法，首先以化學(xué)氣相沉積作為手段，以碳源氣體作為反應(yīng)氣體，氬氣作為濺射氣體制備豎直生長(zhǎng)的少層石墨烯，從根本上克服了化學(xué)方法制備的石墨烯缺陷多、分散性差及導(dǎo)電性差的缺點(diǎn)。通過化學(xué)氣相沉積方法在泡沫鎳基底上直接生長(zhǎng)豎直生長(zhǎng)的少層石墨烯，通過電化學(xué)沉積的方法將石墨烯與氫氧化鈷復(fù)合，得到電化學(xué)電容器電極材料生產(chǎn)成本低、比容量較高、瞬時(shí)充放電性能優(yōu)異、循環(huán)穩(wěn)定性好。

本發(fā)明的基本技術(shù)方案的概括如下：

選用泡沫鎳作為基底，此過程使用烴類氣體作為碳源氣體，同時(shí)通入氬氣作為濺射氣體，控制反應(yīng)溫度，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，從而在基底上制備出豎直生長(zhǎng)的少層石墨烯。然后以硝酸鈷為電解液，將以上生長(zhǎng)石墨烯的泡沫鎳作為工作電極，鉑片作為對(duì)電極，飽和甘汞電極作為參比電極，進(jìn)行電化學(xué)沉積，從而在基底上生長(zhǎng)氫氧化鈷，實(shí)現(xiàn)石墨烯與氫氧化鈷的復(fù)合。

本發(fā)明的具體技術(shù)參數(shù)及最優(yōu)選取方案介紹如下：

本發(fā)明中豎直生長(zhǎng)石墨烯的制備，采用等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)，以泡沫鎳為基底。PECVD生長(zhǎng)少層石墨烯過程主要分為以下步驟：

1)系統(tǒng)抽真空，通入某些氣體作保護(hù)氣體升溫至預(yù)定溫度(反應(yīng)溫度)，通入反應(yīng)氣體，待溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，保溫一段時(shí)間，使氣體混合均勻。

2)碳源氣體、濺射氣體合理配比，即C_mH_n/Ar＝20/80，單位為sccm，調(diào)整反應(yīng)氣壓，設(shè)定射頻功率及濺射時(shí)間，反應(yīng)原料充分離化、分解，轉(zhuǎn)變成活性基團(tuán)，在泡沫鎳基底上最終制備出豎直生長(zhǎng)的少層石墨烯。

3)通保護(hù)氣體降溫至100℃以下。

本發(fā)明中多層結(jié)構(gòu)的氫氧化鈷的制備，采用恒電位電化學(xué)沉積技術(shù)，在生長(zhǎng)少層石墨烯的基底上沉積氫氧化鈷，主要步驟包括：

1)恒溫水浴槽升溫至預(yù)定溫度(反應(yīng)溫度)，待溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，保溫一段時(shí)間，使電化學(xué)沉積系統(tǒng)維持恒溫。

2)將沉積電位調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)所需數(shù)值，按實(shí)驗(yàn)預(yù)定沉積電量進(jìn)行電沉積；電解完畢后，關(guān)閉恒壓電源，取出電解陰極，用去離子水清洗陰極表面多次，自然晾干即可得到石墨烯/氫氧化鈷復(fù)合薄膜電極。