[發(fā)明專利]一種基于石墨烯的超級電容電極片及其制備方法

有效

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• 申請日: 2011-11-16
• 公開（公告）號: CN102496475A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設計）人: 王振中;蔡燕;蔣建偉
• 申請（專利權）人: 無錫第六元素高科技發(fā)展有限公司
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042
• 代理公司: 北京中恒高博知識產(chǎn)權代理有限公司 11249
• 代理人: 夏晏平

技術領域

本發(fā)明涉及一種超級電容的電極片，更具體地說，涉及一種以石墨烯衍生材料為活性物質的超級電容電極片及其制備工藝，屬于超級電容技術領域。

背景技術

超級電容是一種介于傳統(tǒng)電容與蓄電池之間、性能特殊的新型儲能器件，具有功率密度高、充電時間短、使用壽命長等優(yōu)點。傳統(tǒng)超級電容的電極片都是基于多孔活性炭材料，這類炭材料的比表面積通常在1000?m²/g?~?2000?m²/g之間。使用該炭材料所制得的電容，質量比電容的值在100?F/g?~?120?F/g之間（采用有機電解液）。石墨烯是碳原子按六角結構排列而成的單原子層二維晶體，是目前最薄的納米材料，理論比表面積高達2630?m²/g，而且導電性能好、化學性能穩(wěn)定，這些優(yōu)點使得石墨烯材料在超級電容器中有著巨大的應用價值。

CN101870466A公開了一種電極材料石墨烯納米片的制備方法及其制備的電極片，在該專利中，將球磨法得到的石墨烯納米片與有機粘結劑混合，粘結并滾壓成電極片。美國專利US7875219B2公開了一種使用石墨烯納米片制備的超級電容電極片。在該專利中，片狀石墨烯被有機粘結劑聚合在一起，石墨烯片與片之間留一定量的空隙，如圖1所示。這些空隙中的一部分可以形成通道，超級電容的電解液可以在這些空隙通道中擴散。上述這兩項專利都以石墨烯納米片作為電極片的活性材料，并且都使用有機聚合材料將石墨烯納米片粘結在一起形成電極片。上述兩技術的缺陷是：一方面，用粘結劑粘結石墨烯納米片，難以有效地控制片與片之間的空隙尺寸以及由空隙構成通道，這嚴重降低了石墨烯表面的利用率，限制了超級電容電解液的自由擴散。更為重要的是，石墨烯片與片之間有機聚合材料降低了電極片的電導，從而增加了超級電容的內(nèi)阻，限制了超級電容的功率密度。另一方面，球磨法制得的石墨烯納米片，其比表面積遠低于三維、多孔石墨烯衍生材料。對超級電容而言，電極片材料的比表面積直接決定了電容的比電容值。上述兩個方面的技術問題都制約了前述兩個專利所公開石墨烯納米電極片的性能。

本公司的另一專利CN102070140A公開了一種利用強堿化學處理得到高比表面積石墨烯材料的方法，可以制得三維、多孔的石墨烯衍生材料，比表面積高達1500m²/g?~?3000m²/g，同時保持材料的高電導。本發(fā)明的超級電容電極片正是基于上述專利的石墨烯材料而研制。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術的困難，本發(fā)明提供了如下的技術方案：

一種基于石墨烯的超級電容電極片，所述電極片含有一種三維、多孔結構的石墨烯材料。具體地，所述電極片的密度為0.05g/cm³至1g/cm³，厚度為50nm至500μm，而電極片厚度可以通過分散良好的穩(wěn)定黑色懸浮液的濃度或體積來調節(jié)。

進一步地，所述石墨烯材料中氫元素的含量極低，碳純度很高，同時碳原子之間幾乎100％地通過sp2鍵連接，導電性能好，電導大于100S/m；和/或其比表面積大于2600m²/g，和/或其孔徑范圍為2nm至100nm。

上述基于石墨烯的超級電容電極片的制備方法，步驟如下：（1）稱取三維、多孔石墨烯材料粉末并分散到有機溶劑中，超聲1到30分鐘后得到黑色懸浮液；（2）將步驟（1）的黑色懸浮液倒入過濾裝置，過濾得到石墨烯薄片；（3）將步驟（2）的石墨烯薄片進行干燥處理；（4）將步驟（3）干燥處理后的石墨烯薄片進行裁剪，得到所述超級電容電極片。

所述有機溶劑為N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、二甲基亞砜（DMSO）、四氫呋喃（THF）、碳酸丙烯酯（PC）、丙酮、乙腈、吡啶、氯苯中的一種或任兩種以上的組合。

所述過濾為真空抽濾或氣體壓濾。

所述干燥處理為50?℃?~?150?℃的真空干燥或紅外干燥。

所述石墨烯薄片（即超級電容電極片）裁剪后就可以作為正極與負極電極片，用于鈕扣式和卷繞式等各類超級電容中，具有孔徑通道分布合理、比電容大、內(nèi)阻小以及壽命長的優(yōu)點。所述電極片所制得的超級電容，電極片具有相互連通的網(wǎng)絡狀孔洞通道，比電容大于150?F/g，能量密度大于20?Wh/kg。

具體地，本發(fā)明的優(yōu)點是：