[發明專利]一種石墨烯纖維超級電容器及其制備方法

在審

• 申請號: 201610061592.7
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105575680A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發明（設計）人: 白德旭
• 申請（專利權）人: 白德旭
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24;H01G11/40;D01F9/12
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技術領域

本發明涉及一種超級電容器，尤其涉及一種石墨烯纖維超級電容器及其制備方 法。

背景技術

超級電容器是一種介于傳統電容器與二次電池之間的電化學儲能器件。超級電容 器及其高功率大電流特性以及上百萬次的循環穩定性而廣泛應用在電子器件，電動汽車及 起重機、航空航天、新能源以及不間斷供電UPS設備。根據儲能機理超級電容器可以分為兩 類，一類是雙電層電容器，另一類是贗電容器。雙電層電容器是利用具有大比表面的材料實 現高效出電，當向電極充電時，電極表面的電荷吸引周圍電解質中的異性離子吸附于電極 表面形成雙電層，構成雙電層電容器，雙電層電容器具有功率密度高及循環性好的突出優 點。

目前，商業化的超級電容器是采用活性炭作為電極材料。活性炭具有高比表面積， 較高的電導率及良好的電化學穩定性。然而，以活性炭為電極材料的雙電層超級電容器能 量密度偏低，只有5Wh/kg左右。而電極材料又是決定超級電容器性能優劣的至關重量的因 素，因此，需要開發和利用新的電極材料，從而進一步提供超級電容器的性能。

石墨烯是碳原子以sp²雜化形式連接而成的二維碳原子層，其厚度只有0.34nm。具 有超高強度、極大的比表面積、高的熱導率以及載流子遷移率等多種優異的特質，使其在超 級電容器材料領域具有廣泛的應用前景。

專利WO2012/124937A2公開了一種石墨烯共軛纖維制備方法，以制成高分子與石 墨烯片相互扭曲的石墨烯纖維，其方法是添加表面活性劑幫助分散的石墨烯與高分子材料 均勻混合，形成高強度石墨烯復合纖維。但并未涉及如何在超級電容器中應用上述石墨烯 復合纖維。

中國專利CN103855361A公開了一種摻氮多孔碳納米纖維布的制備方法，通過有機 溶液中添加富氮化合物，經過電紡絲和后續的碳化-活化處理，制備了具有自支撐結構，并 通過電紡絲直接應用到電極負極的摻氮多孔碳納米纖維布。上述發明直接將復合纖維通過 電紡絲直接噴絲至電極板上形成電極材料，但直接噴絲至電極板無法實現石墨烯纖維的固 定，容易脫落，從而導致電極不穩定，使用壽命短。

發明內容

針對現有技術之不足，本發明提供了一種石墨烯纖維超級電容器及其制備方法。 通過將石墨烯纖維與光敏或感光聚合物混合形成混合物，并在紫外環境條件下將上述具有 石墨烯纖維的聚合物固化至二維或三維的金屬基底上，形成石墨烯纖維電極，形成的電極 應用于超級電容器，增加了電極的比表面積，并且延長了電極的使用壽命。

本發明提供了一種制備石墨烯纖維超級電容器的方法，所述方法包括如下制備含 石墨烯纖維電極的步驟：

制備氧化石墨，并加入一定量的溶劑中經過超聲處理形成氧化石墨烯溶液；

將所述氧化石墨烯溶液進行離心旋轉，得到一定質量百分比的氧化石墨烯紡絲漿 液；

將氧化石墨烯紡絲漿液通過紡絲毛細管，經凝固劑中凝固成絲，對所述凝固成絲 的產物進行洗滌以及真空干燥得到氧化石墨烯纖維；

對所述氧化石墨烯纖維進行還原得到石墨烯纖維；

將聚合物和石墨烯纖維按一定比例混合均勻，形成混合物；

基于二維或三維的金屬基底將所述混合物置于經過預處理的所述金屬基底表面， 形成具有石墨烯纖維的聚合物層；

將所述聚合層置于紫外環境中進行固化形成石墨烯纖維電極。

根據一種優選實施方式，所述聚合物包括能夠產生激發子的感光聚合物或者暴露 于紫外光下具有光壓反應的光敏聚合物，或者

其中所述聚合物與所述石墨烯纖維的質量百分比為1∶4～1∶1，或者

所述氧化石墨烯紡絲漿液的濃度為0.1％～2％，或者

所述包括石墨烯纖維的聚合物層設置在通過光刻、干法刻蝕、濕法刻蝕、納米壓 印、掩模、離子束直寫、自組裝或機械精密加工方式制備的二維或三維金屬基底，或者

所述金屬基底的預處理方法包括對金屬基底進行酸洗或者堿洗去除表面異物，或 者

所述具有石墨烯纖維的聚合物層在采用掩模方法制備成的表面具有掩模圖案的 三維金屬基底上形成，或者

所述具有石墨烯纖維的聚合物層通過采用三維模具和基底之間固化的方法形成， 或者

所述聚合物層在紫外環境下的處理時間為1～20分鐘。