[發明專利]石墨烯復合電極及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201110302892.7
• 申請日: 2011-10-09
• 公開（公告）號: CN103035409A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 周明杰;吳鳳;王要兵
• 申請（專利權）人: 海洋王照明科技股份有限公司;深圳市海洋王照明技術有限公司
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/145;H01M4/134;H01M4/1395
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 何平

【技術領域】

本發明涉及電池或電容器的電極材料領域，尤其涉及一種石墨烯復合電極及其制備方法和應用。

【背景技術】

超級電容器以其高能量密度、高功率密度、長壽命、對環境友善等優點而備受關注。在太陽能充電器、報警裝置、家用電器、微機的備用電源、飛機的點火裝置等航空航天和國防科技等方面具有極其重要和廣闊的應用前景，已成為世界各國研究的熱點。

在超級電容器的研究與開發過程中，高比表面積的碳材料是超級電容器理想的電極材料，如活性炭、碳氣凝膠、碳納米管和碳纖維等。盡管碳材料超級電容器已經初步的商業化應用，但是由于其容量比較小，從而其應用也在一定程度上受到較大的限制，需要尋找新的大容量的、穩定可靠的超級電容器電極材料。利用金屬氧化物發生氧化還原反應而產生的法拉第準電容進行能量存儲的電化學電容器引起了科研工作者的極大興趣。其中，氧化釕是過渡金屬氧化物當中理想的超級電容器材料，但其價格昂貴，難以產業化使用；氧化鎳和氧化鈷存在工作電位窗口較窄的缺點；而氧化錳資源豐富、價格低廉、具有雙電層電容和贗電容的雙重特性，且氧化錳材料無污染、可用運于大規模生產，被認為是極具潛力的超級電容器電極材料，引起了人們的廣泛關注。但傳統制備的氧化錳電極材料存在電阻較大的問題，限制了其進一步應用。

【發明內容】

基于此，有必要提供一種電阻相對較小的電極及其制備方法。

本發明提供了一種石墨烯復合電極，包括集流體及位于所述集流體表面的電極活性材料，所述電極活性材料包括石墨烯和二氧化錳，所述石墨烯位于所述集流體表面，所述二氧化錳所述石墨烯表面，其中，石墨烯在所述電極活性材料中的質量百分含量為80-90％。

在優選的實施方式中，所述集流體為鎳箔或鋁箔。

一種石墨烯復合電極的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：將氧化石墨在溶劑中超聲分散制備氧化石墨烯溶液，再通過電沉積法將所述氧化石墨烯沉積至集流體表面，得到氧化石墨烯/集流體電極；

步驟二：將所述氧化石墨烯/集流體電極作為工作電極，配合參比電極和輔助電極，在含錳源的電解液中，恒電流作用下在氧化石墨烯/集流體電極上沉積二氧化錳，且二氧化錳沉積在所述氧化石墨烯表面，得到二氧化錳/氧化石墨烯/集流體電極；

步驟三：還原所述二氧化錳/氧化石墨烯/集流體電極，得到所述石墨烯復合電極，石墨烯在所述電極活性材料中的質量百分含量為80-90％。

在優選的實施方式中，步驟一中所述氧化石墨按照下述步驟制備：

將石墨粉加入至0℃的濃硫酸中，再加入高錳酸鉀，體系的溫度保持在10℃以下，攪拌2小時后再在室溫下水浴攪拌24小時，然后在冰浴條件下向反應體系中緩慢加入去離子水，15分鐘后，再加入含雙氧水的去離子水，直至溶液的顏色變為亮黃色，趁熱抽濾，再用濃度為10％的鹽酸進行洗滌，抽濾，60℃真空干燥即得到氧化石墨。

在優選的實施方式中，步驟一中電沉積過程包括如下步驟：首先，向制得的氧化石墨烯溶液中加入電解質，超聲分散，以得到均勻的溶液作為電解液；然后取集流體作為電極，將其平行對稱放置在電解液中，兩電極間距為0.5cm；再在兩電極之間通入40～80V的直流電5～20分鐘，在所述電極表面沉積氧化石墨烯，制得氧化石墨烯/集流體電極。

在優選的實施方式中，所述電解質是Mg(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O或Zn(NO₃)₂·6H₂O，電解液中電解質的濃度為0.2～5mg/mL。

在優選的實施方式中，步驟二中，所述參比電極為甘汞電極；所述輔助電極為鉑電極；所述含錳源的電解液為濃度0.25-0.5mol/L的Mn(CH₃COO)₂溶液；恒電流的電流密度為1.25mA/cm²。

在優選的實施方式中，步驟三中還原所述二氧化錳/氧化石墨烯/集流體電極包括如下步驟：將步驟二所得的二氧化錳/氧化石墨烯/集流體電極自然晾干后，真空烘烤1～3小時，再將其放入加熱爐管中，在惰性氣體氛圍下，以10℃/min的加熱速率升溫至500℃～800℃，保持2～4小時，反應完畢后，在惰性氣氛中冷卻到室溫，得到所述石墨烯復合電極。

在優選的實施方式中，所述集流體為鎳箔或鋁箔。