[發(fā)明專利]一種碳碳復(fù)合電極材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510043121.9
• 申請(qǐng)日: 2015-01-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104701026A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張瑞軍;康會(huì)敏;徐江;吳超;閆朋濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/24
• 分類號(hào): H01G11/24;H01G11/38;H01G11/86
• 代理公司: 石家莊一誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 13116
• 代理人: 續(xù)京沙

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新材料領(lǐng)域，特別涉及一種電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

超級(jí)電容器，又稱電化學(xué)電容器，是一種介于常規(guī)電容器與二次電池之間的新型儲(chǔ)能器件。開(kāi)發(fā)低成本、電化學(xué)儲(chǔ)能性能良好、環(huán)境友好型的電極材料對(duì)于超級(jí)電容器的商品化具有重要意義。

碳材料由于其良好的導(dǎo)電性以及低成本性而成為電極材料的首選。由于石墨烯具有優(yōu)異的電、熱和機(jī)械性能以及巨大的比表面積(理論值為2675m²/g)，完全符合理想電極材料的要求。但作為粉體，石墨烯片層互相堆疊并團(tuán)聚，因此石墨烯的有效比表面積一般只有200～500m²/g，與理論值差之甚遠(yuǎn)。為了解決這一問(wèn)題，近來(lái)，研究人員通過(guò)石墨烯片之間引入其他碳質(zhì)材料，如碳納米管(CNT)或炭黑(CB)，構(gòu)建具有類似三明治結(jié)構(gòu)的碳碳復(fù)合材料，以防止石墨烯的堆疊團(tuán)聚。

然而，石墨烯片之間引入的碳納米管、炭黑等主要起隔離石墨烯片、防止其堆疊團(tuán)聚的作用，而其本身并沒(méi)有很好的電化學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)便易行，能防止石墨烯堆疊團(tuán)聚又能提高其電化學(xué)性的碳碳復(fù)合電極材料及其制備方法。

本發(fā)明的碳碳復(fù)合電極材料是一種在石墨烯與碳化物衍生碳之間構(gòu)成中孔結(jié)構(gòu)的石墨烯與碳化物衍生碳的復(fù)合材料。

上述碳碳復(fù)合電極材料的制備方法：

采用公知的改進(jìn)的Hummer法將粒徑為2.6微米純度為99％的石墨粉制備成氧化石墨(GO)，按每毫克GO加入0.5微升水合肼將所得GO用水合肼在80℃下還原2～6小時(shí)得到不同還原程度的石墨烯(RGO)。將粒徑約為20nm的碳化鈦(TiC)為反應(yīng)前軀體，采用高溫鹵化法，在400℃～1000℃下與氯氣反應(yīng)1小時(shí)后獲得碳化物衍生碳(CDC)。然后，分別將所制得的RGO、CDC配成2mg/mL的水溶液，再將配好的RGO溶液和CDC溶液分別在高功率(800W)超聲震蕩儀中超聲處理2小時(shí)，最后，將RGO溶液與CDC溶液按1～9：9～1的體積比(因?yàn)槎邼舛认嗤w積比即為質(zhì)量比)緩慢混合后再超聲處理2小時(shí)使其復(fù)合均勻，再在室溫下攪拌24小時(shí)，90℃烘干，即獲得碳碳復(fù)合電極材料。

碳化物衍生碳(carbide-derived?carbon，簡(jiǎn)稱CDC)是近年來(lái)備受關(guān)注的一種新型碳材料。它是以碳化物的晶格為模板，通過(guò)由表及里的逐層蝕刻除掉金屬原子，從分子水平上來(lái)控制碳材料制備的。CDC在形成過(guò)程中，碳化物中的金屬原子通過(guò)與反應(yīng)氣體如氯原子結(jié)合形成金屬氯化物(高溫氣態(tài))而被去除掉，余下的碳原子之間相互成鍵從而形成新的“三維骨架狀”的多孔碳結(jié)構(gòu)，CDC的多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)已在超級(jí)電容器領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、制備方法對(duì)設(shè)備要求不高、成本低、無(wú)污染、并且可以大量生產(chǎn)。

2、石墨烯與CDC之間構(gòu)建的中孔通道互通性更好。

3、碳碳復(fù)合材料具有明顯的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)特征，有益于獲得高的功率密度；處于石墨烯片之間的CDC中的孔隙主要是微孔，其有助于電極材料獲得更高的比容量，在200mV/s掃速下仍保持良好的矩形和較大的比容量。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1獲得的碳碳復(fù)合電極材料的宏觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1獲得的碳碳復(fù)合電極材料的透射電鏡圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1獲得的碳碳復(fù)合電極材料在6M?KOH溶液中的循環(huán)伏安曲線圖。

圖4是石墨烯、CDC以及本發(fā)明實(shí)施例1獲得的碳碳復(fù)合電極材料的循環(huán)伏安曲線對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

取5g粒徑為2.6微米的石墨粉(純度99％)，采用公知的改進(jìn)的Hummer法制備氧化石墨(GO)，用2.5mL水合肼還原4小時(shí)得到石墨烯(RGO)；取5g粒徑約為20nm的碳化鈦(TiC)作為反應(yīng)前軀體，采用高溫鹵化法，在600℃下與氯氣反應(yīng)1小時(shí)后獲得CDC。然后，分別取2g所制得的RGO、CDC，并分別配成2mg/mL的水溶液，并在高功率(800W)超聲震蕩儀中超聲處理2小時(shí)。最后，將300mL?RGO溶液與300mL?CDC溶液緩慢混合后再超聲處理2小時(shí)，并在室溫下攪拌24小時(shí)，放在90℃烘箱中烘干，即獲得本發(fā)明的碳碳復(fù)合電極材料。

如附圖1所示，在石墨烯片之間引入CDC，構(gòu)建出類似三明治結(jié)構(gòu)的石墨烯/CDC碳碳復(fù)合材料。