[發明專利]一種石墨烯氣凝膠的制備方法

在審

• 申請號: 201410724585.1
• 申請日: 2014-12-03
• 公開（公告）號: CN104843676A
• 公開（公告）日: 2015-08-19
• 發明（設計）人: 張英濤
• 申請（專利權）人: 北汽福田汽車股份有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 李敏

技術領域

本發明涉及一種超級電容器電極材料的制備方法，具體涉及一種石墨 烯氣凝膠的制備方法，屬于電容器電極材料制備技術領域。

背景技術

傳統電容器通常由一組導電極板加上中間的絕緣材料制成，所能提供 的電容通常是mF和μF數量級的。隨著科學的發展，具有成百上千法拉的 電容器已經出現，即超級電容器，相比于電池和傳統電容器，具有適中比 能量的超級電容器是介于二者之間可以通過快速充電進行能量儲存在的設 備。在混合電動汽車及純電動汽車應用方面，超級電容器因具有快速的充 電能力，可使其最大回收剎車過程中的能量，又因其具有快速的放電能力， 從而為車輛啟動提供較大的加速度。

近年來，由于石油資源日趨短缺，并且燃燒石油的內燃機尾氣排放對 環境的污染越來越嚴重，人們都在研究替代內燃機的新型能源裝置。已經 進行混合動力、燃料電池、化學電池產品及應用的研究與開發，取得了一 定的成效。但是由于它們固有的使用壽命短、溫度特性差、化學電池污染 環境、系統復雜、造價高昂等致命弱點，一直沒有很好的解決辦法。而超 級電容器以其優異的特性揚長避短，可以部分或全部替代傳統的化學電池 用于車輛的牽引電源和啟動能源，并且具有比傳統的化學電池更加廣泛的 用途。正因為如此，世界各國都不遺余力地對超級電容器進行研究。

電極是構成超級電容器的核心部件，其直接決定超級電容器的容量、 傳輸速率以及電容器的效率，其中從超級電容器電極中釋放的能量直接取 決于電極材料與集流體界面的性質，尤其是電荷通過電極材料向集流體的 滲透性以及對集流體的腐蝕性，當材料機體表現出較低的電解液浸潤性， 電解液與材料界面的結構和形貌效應將顯著降低電容器的電容。因此，要 得到高性能的超級電容器，關鍵是要發掘新型的電極材料。

石墨烯氣凝膠是一種由石墨烯制備形成的三維網狀結構，具有高比表 面積、高孔隙率、高電導率以及良好的熱導率和機械強度，是一種理想的 超級電容器電極材料，其一般通過水熱法直接由氧化石墨水分散液制得， 例如，中國專利文獻CN103413689A公開了一種制備石墨烯氣凝膠的方法， 其是以氧化石墨水溶液為原料，以醇作為交聯劑，通過簡單的混合和分散 處理得到前驅體溶液，之后采用水熱的方法，再通過冷凍干燥或超臨界干 燥等方法得到石墨烯氣凝膠，采用上述方法得到的石墨烯氣凝膠比表面積 為100-2500m²/g，密度為1-1000mg/cm³，由于比表面積、密度等變化范圍 較大，使其性能并不穩定，例如該石墨烯氣凝膠材料作為電極應用時，其 比容量在120-780F/g之間浮動。

發明內容

為解決現有技術中采用水熱法制備得到的石墨烯氣凝膠結構差異較 大、物理指標不穩定，造成以其作為電極材料應用時性能不穩定的問題， 進而提供一種結構穩定，均一性好的石墨烯氣凝膠的制備方法。

為此，本發明采取的技術方案為，

一種石墨烯氣凝膠的制備方法，包括，

(1)配制含有氧化石墨烯的聚乙烯醇水溶液，得到濃度為1-10mg/cm³的氧化石墨烯分散液；

(2)將所述氧化石墨烯分散液，在不高于零下196℃的條件下進行冷 凍，得到冷凍樣品；

(3)將所述冷凍樣品進行冷凍干燥，得到冷凍干燥樣品；

(4)在氬氣與氫氣的混合氣體環境中，將所述冷凍干燥樣品進行高溫 還原得到所需的石墨烯氣凝膠；

在所述步驟(4)中，所述高溫還原為在350-450℃下灼燒2-3h后， 900-1100℃下再灼燒2-3h。

上述石墨烯氣凝膠的制備方法中，將所述氧化石墨烯分散液進行液氮 冷凍，得到所述冷凍樣品。

上述石墨烯氣凝膠的制備方法中，將聚乙烯醇溶解在蒸餾水中超聲分 散制得聚乙烯醇水溶液，再將固體氧化石墨烯超聲分散在所述聚乙烯醇水 溶液，得到濃度為1-10mg/cm³的所述氧化石墨烯分散液。

上述石墨烯氣凝膠的制備方法中，在所述步驟(4)中，所述冷凍干燥 樣品進行高溫還原后自然冷卻。

上述石墨烯氣凝膠的制備方法中，在所述步驟(4)中所述混合氣體中， 氫氣的體積占混合氣體總體積的5％。