[發(fā)明專利]一種石墨烯-活性炭復(fù)合物超級電容器電極材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610013075.2
• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN105655154B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高志永;常玖利;武大鵬;徐芳;張玲翠;蔣凱
• 申請（專利權(quán)）人: 河南師范大學(xué)
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24;H01G11/34;H01G11/36;H01G11/38
• 代理公司: 新鄉(xiāng)市平原專利有限責(zé)任公司41107
• 代理人: 路寬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超級電容器電極材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有電雙層和贗電容雙重特性的石墨烯-活性炭復(fù)合物超級電容器電極材料的制備方法。

背景技術(shù)

超級電容器是一種綠色、高效和長壽命的電化學(xué)儲能裝置，具有功率密度高、充放電快速、使用壽命長、較寬的工作溫度范圍以及安全無污染等優(yōu)點，在智能電子產(chǎn)品、電動工具、混合動力汽車以及大功率脈沖設(shè)備等領(lǐng)域有著重要用途。

活性炭具有超高的比表面積、良好的耐腐蝕性、較低的制備成本和原料豐富等特點，因此是超級電容器中使用最多的電雙層電極材料。但是，活性炭導(dǎo)電性相對較差，其微孔結(jié)構(gòu)不僅會限制其表面利用率，而且也不利于電解質(zhì)離子的快速擴(kuò)散滲透，造成較低的比容和倍率性能。在多孔活性炭表面引入贗電容活性的異質(zhì)元素，則可通過贗電容貢獻(xiàn)大幅提高超級電容器的比容。同時通過優(yōu)化活性炭的孔道結(jié)構(gòu)和孔徑，改善超級電容器的倍率性能，從而適用于在大電流條件下的快速充放電。因此，對多孔碳材料的組成以及結(jié)構(gòu)、表面特性進(jìn)行合理設(shè)計是提升超級電容器儲能性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

石墨烯是一類新型的超薄碳材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和較大的比表面積，在超級電容器電極材料方面有著重要應(yīng)用前景。但是石墨烯較高的表面能致使其極易團(tuán)聚，因而直接用于電極材料電容較低。將石墨烯引入到活性炭當(dāng)中，形成碳質(zhì)復(fù)合材料，既可限制石墨烯片層團(tuán)聚，同時又能改善活性炭顆粒之間的導(dǎo)電連接和結(jié)構(gòu)韌性，從而提高電容器的倍率與循環(huán)壽命。采用合適的原料，通過合理策略制備具有高比表面積、合理孔徑和孔結(jié)構(gòu)的電雙層、贗電容雙重特性的電極材料，是全方位提高超級電容器比容、倍率和循環(huán)壽命的關(guān)鍵。

對于石墨烯-活性炭復(fù)合材料，由于活性炭為固相而且形貌不規(guī)則，因此直接通過石墨烯和活性炭進(jìn)行復(fù)合制備難以有效調(diào)控復(fù)合材料的形貌和孔結(jié)構(gòu)，選取液相前驅(qū)體進(jìn)行制備則能有效調(diào)控復(fù)合物的形貌，并使石墨烯與活性炭之間充分接觸，建立高效電子、電解質(zhì)傳遞通道和結(jié)構(gòu)韌性，全方位提高超級電容器的比容、倍率與循環(huán)壽命。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供了一種多級孔道片層狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)石墨烯-活性炭復(fù)合物超級電容器電極材料的制備方法，該方法全方位提高超級電容器的比容、倍率和循環(huán)性能，特別是較高電流密度下的比容。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種石墨烯-活性炭復(fù)合物超級電容器電極材料的制備方法，其特征在于具體步驟為：將10mL新鮮蛋清倒入容器中攪拌30min形成粘稠的蛋清泡沫，將0.01g氧化石墨烯加入100mL去離子水中，超聲分散30min，再以12000轉(zhuǎn)/min的速率離心分離，棄去不溶沉淀，上清液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至15mL的稠漿，將該稠漿加入到蛋清泡沫中，攪拌120min形成淺棕色混合物泡沫，再將該混合物泡沫于60℃干燥后轉(zhuǎn)移至管式爐中，在惰性氣氛下加熱至500~800℃煅燒碳化0.5~4h，冷卻后得到石墨烯-活性炭前驅(qū)體，然后將石墨烯-活性炭前驅(qū)體與氫氧化鉀混合，并轉(zhuǎn)移至鎳坩堝中在惰性氣氛下于500~800℃煅燒活化0.5~4h，冷卻后用鹽酸和去離子水洗滌至中性，再經(jīng)過濾和干燥得到石墨烯-活性炭復(fù)合物超級電容器電極材料。

進(jìn)一步限定，所述的石墨烯-活性炭前驅(qū)體與氫氧化鉀的質(zhì)量比為1:3，惰性氣氛為氦氣、氮氣或氬氣。

本發(fā)明的蛋清蛋白的肽鏈具有不同疏水和親水區(qū)域，可用作兩親性的表面活性劑；氧化石墨烯是由親水性基團(tuán)功能化的柔性疏水芳香碳環(huán)構(gòu)成，同樣可看作是表面活性物質(zhì)；兩者的流體特性使之能夠通過極性和疏水作用形成均勻的復(fù)合物，同時兩者中含有的氧和氮元素可以作為異質(zhì)元素提供贗電容，因而通過碳化和活化處理能全方位提高超級電容器的比容、倍率和循環(huán)性能。與現(xiàn)有石墨烯與活性炭的簡單混合相比，本發(fā)明中制備的產(chǎn)品中石墨烯與活性碳的導(dǎo)電連接更充分，其交聯(lián)結(jié)構(gòu)和較寬孔徑分布更有利于電子和電解質(zhì)離子的擴(kuò)散傳輸，能獲得更高的倍率性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例2制得的石墨烯-活性炭復(fù)合物超級電容器電極材料的透射電鏡圖，由圖可知活性炭在石墨烯表面形成均勻沉積層，復(fù)合物整體形成交聯(lián)的多維層狀結(jié)構(gòu)，有較寬的層間孔，有利于電解質(zhì)的充分填充和擴(kuò)散傳輸以及與電極表面的充分接觸，有利于獲得較高的比容和倍率性能；

圖2是本發(fā)明實施例2制得的石墨烯-活性炭復(fù)合物超級電容器電極材料的倍率性能曲線；

圖3是本發(fā)明實施例2制得的石墨烯-活性炭復(fù)合物超級電容器電極材料的掃描電鏡圖。

具體實施方式