[發(fā)明專利]一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410487044.1
• 申請(qǐng)日: 2014-09-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104362002B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高超;寇亮;劉崢
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江碳谷上希材料科技有限公司
• 主分類號(hào): H01G11/36
• 分類號(hào): H01G11/36;H01G11/24;H01G11/86
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 張法高

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯水凝膠膜電極，尤其涉及一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。

背景技術(shù)

石墨烯是一層由碳原子以sp²雜化相連接而形成的二維材料。從2004年被英國(guó)的A. K. Geim (K. S. Novoselov, et al. Science, 2004, 306, 666-669)發(fā)現(xiàn)至今已引起科學(xué)和工業(yè)界廣泛的關(guān)注。迄今為止，將石墨烯應(yīng)用于電極材料領(lǐng)域主要分兩種情況。第一種是將石墨烯作為導(dǎo)電填料添加到電極材料中，第二種是在不使用粘結(jié)劑的情況下直接將石墨烯片組裝成宏觀的石墨烯電極材料。在將石墨烯片組裝成宏觀材料時(shí)，石墨烯片之間的排列雜亂無(wú)章，電解液離子就無(wú)法擴(kuò)散到電極材料的內(nèi)部，就不能獲得較大的能量存儲(chǔ)。而石墨烯片之間如果取向排列，電解液離子就可充分浸潤(rùn)到電極材料的內(nèi)部，從而獲得更大的能量存儲(chǔ)。因此，如何快速高效的得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極就顯得至關(guān)重要。 2011年浙江大學(xué)的高超教授成功的利用氧化石墨烯的液晶相行為，石墨烯紡成纖維（Z. Xu, C. Gao, Nat. Comms., 2011, 2, 571），從而為石墨烯的材料制備開(kāi)拓了一條新途徑。因此，在這里我們首次利用氧化石墨烯的液晶相行為，將其連續(xù)化的紡成具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。所得到的具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極具有高導(dǎo)電性、高比表面積等特點(diǎn)，將其用作超級(jí)電容器電極，可以獲得高的比電容和能量密度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)不足，提供一種具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。

具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極中石墨烯片呈取向排列，且均垂直于石墨烯水凝膠膜電極的橫截面，石墨烯片之間相互搭接形成2nm-5μm的孔，石墨烯水凝膠膜電極的厚度為100nm到1000μm，含水量為0%到500%，導(dǎo)電率為10^-9 S/m到10⁷ S/m，比表面積為10-1000m²/g；具體制備方法包括以下步驟：

1）將1重量份的氧化石墨烯，50-200重量份的水混合，超聲分散后得到氧化石墨烯的水分散液；

2）將步驟1)得到的氧化石墨烯的水分散液，以10～1000 mL/h的擠出速度在一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，停留1～100s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；

3）將1重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜用1～200重量份的還原劑，在60～120℃下進(jìn)行化學(xué)還原1min～24h，用水清洗后得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極；或?qū)?重量份的步驟2)得到的氧化石墨烯水凝膠膜置入到水熱釜中120-250℃水熱還原1-36h，用水清洗后得到具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極。

步驟2）中所述的一字形?？诘难b置為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，中間開(kāi)有一個(gè)逐漸變窄的一字形?？凇?/p>

步驟2）中所述的凝固液為氯化鈣水溶液、氫氧化鈉水溶液、硫酸鈉水溶液、氯化鈣水溶液、硝酸鈉水溶液、硝酸鈣水溶液、磷酸鈉水溶液、氯化銨水溶液、氨水、丙酮、甲醇、四氫呋喃或乙酸乙酯中的一種或多種。

步驟3）中所述的還原劑為肼、甲基肼、苯肼、NaOH、KOH，氨水，氫碘酸、抗壞血酸、葡萄糖、硼氫化鈉或氫醌的一種或多種。

本發(fā)明的電極導(dǎo)電性高、比表面積大、柔韌性好，應(yīng)用到超級(jí)電容器或電池領(lǐng)域會(huì)有優(yōu)異的電化學(xué)表現(xiàn)。制備工藝簡(jiǎn)單、能耗低、綠色環(huán)保。

附圖說(shuō)明

圖1為一字形?？诘闹苽溲b置的剖面圖；

圖2為一字形?？诘闹苽溲b置的主視圖；

圖3為一字形?？诘闹苽溲b置的后視圖；

圖4為具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極的掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

具有取向結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠膜電極中石墨烯片呈取向排列，且均垂直于石墨烯水凝膠膜電極的橫截面，石墨烯片之間相互搭接形成2nm-5μm的孔，石墨烯水凝膠膜電極的厚度為100nm到1000μm，含水量為0%到500%，導(dǎo)電率為10^-9 S/m到10⁷ S/m，比表面積為10-1000m²/g；具體制備方法包括以下步驟：

1）將1重量份的氧化石墨烯，50-200重量份的水混合，超聲分散后得到氧化石墨烯的水分散液；

2）將步驟1)得到的氧化石墨烯的水分散液，以10～1000 mL/h的擠出速度在一字形?？诘难b置中擠出到凝固液中，停留1～100s凝固成氧化石墨烯水凝膠膜；