[發明專利]石墨烯復合材料及其制備方法、鋰離子電容器

有效

• 申請號: 201210237369.5
• 申請日: 2012-07-10
• 公開（公告）號: CN103545109A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 袁美蓉;李銳;王臣;劉偉強;朱永法
• 申請（專利權）人: 深圳清華大學研究院
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042
• 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

本發明涉及一種石墨烯復合材料及其制備方法，以及采用該石墨烯復合材料的鋰離子電容器。

背景技術

隨著傳統化石能源的高強度消費和價格的持續上漲，新能源資源的開發利用受到世界各國高度關注。特別是國際金融危機爆發以來，新能源產業越來越成為新一輪經濟發展的競爭焦點和戰略制高點。近年來，為應對全球資源匱乏、化石價格高漲和防止地球變暖等，各國政府大力發展新能源汽車、太陽能和風能等急需的儲能技術及器件。

傳統的儲能器件一直以能量密度高的鋰離子二次電池和功率密度高的雙電層電容器為中心推進開發。鋰離子二次電池具有能量密度高，廣泛應用于手機、筆記本電腦、IPAD等數碼電子產品領域，但是其功率密度和充放電循環壽命存在極限性，限制了其在太陽能、風能、動力汽車等新能源領域的應用。而雙電層電容器由于具有功率密度高和充放電循環壽命長等優勢，在小型電子儀表、電動汽車輔助動力、太陽能等領域均有廣泛的應用，但是其能量密度較低，大大限制了雙電層電容器的應用。隨著實際應用對儲能裝置各項要求指標的不斷提高，新的應用領域的不斷開辟，人們期待著具有高能量密度、高功率密度、長壽命特性于一體的新型綠色儲能器件的出現。

為了解決鋰離子二次電池和雙電層電容器難以支撐的應用領域的儲能問題，人們研究開發出了一種正極與負極充放電原理不同的非對稱電容器——鋰離子電容器，即正極通過電雙層的原理進行蓄電，負極通過添加鋰離子并利用鋰離子的氧化還原反應進行蓄電。鋰離子電容器的正極采用活性炭，負極采用碳素材料，電解液采用鋰離子有機物。為了提高鋰離子電容器的靜電容量，預先通過化學方法使得負極的碳素材料中摻雜鋰離子或通過電化學方法使負極的碳素材料吸納和承載鋰離子，從而降低負極電位，使鋰離子電容器的電壓升高至4V左右，提高了負極的靜電容量，其單元整體的能量密度比傳統雙電層電容器高4倍以上，功率密度比傳統鋰離子電池高2倍以上。而且，鋰離子電容器還具有熱致擊穿、老化和自放電少，是一種具有高能量密度、高功率密度、長壽命特性于一體的新型綠色儲能器件。

采用炭材料作為鋰離子電容器的負極時由于炭材料直接與電解液接觸，會在負極表面發生不可逆的副反應，導致電解液分解和首次充放電容量損失等問題，最終影響鋰離子電容器的能量密度。

發明內容

基于此，有必要提供一種可以提高鋰離子電容器的能量密度的石墨烯復合材料及其制備方法，以及一種采用該石墨烯復合材料的鋰離子電容器。

一種石墨烯復合材料，按照質量百分數包括30%~65%的石墨烯、15%~35%的經過化學氣相沉積處理的石墨、0.04%~4%的導電劑以及15%~42%可溶性高分子聚合物；

所述可溶性高分子聚合物包覆所述石墨烯、經過化學氣相沉積處理的石墨和導電劑形成局部有序的納米線結構。

在一個實施例中，所述導電劑為導電性碳和導電金屬化合物至少一種。

在一個實施例中，所述可溶性高分子聚合物為聚苯胺、聚吡咯、聚乙二醇、聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈中的至少一種。

一種石墨烯復合材料的制備方法，包括如下步驟：

對石墨進行化學氣相沉積處理；

按照質量百分數將30%~65%的石墨烯源、0.04%~4%的導電劑、15%~42%可溶性高分子聚合物和15%~35%的經過化學氣相沉積處理的石墨在溶劑中混合，分散均勻后得到石墨烯-石墨溶膠，接著對所述石墨烯-石墨溶膠進行靜電紡絲處理得到石墨烯-石墨薄膜；及

在保護氣體氛圍下，對所述石墨烯-石墨薄膜進行熱處理得到石墨烯復合材料；其中，所述可溶性高分子聚合物包覆所述石墨烯、經過化學氣相沉積處理的石墨和導電劑形成局部有序的納米線結構。

在一個實施例中，所述對石墨進行化學氣相沉積處理的步驟為：在800℃~1200℃、沉積氣體和載氣的混合氣氛下，控制等溫式爐內壓力為1.0kPa~2.0kPa，對所述石墨進行下化學氣相沉積40h~100h；其中，所述沉積氣體與所述載氣的體積比為0.2~2，所述沉積氣體為丙烯和甲烷中的至少一種，所述載氣為氮氣和氬氣中的至少一種。

在一個實施例中，所述石墨烯源為單層石墨烯、多層石墨烯、氧化石墨烯、插層石墨烯和復合石墨烯中的至少一種；

所述導電劑為導電性碳和導電金屬化合物至少一種；

所述可溶性高分子聚合物為聚苯胺、聚吡咯、聚乙二醇、聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈中的至少一種；

所述溶劑為二甲基亞砜、乙醇、N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中和水中的至少一種。