[發(fā)明專利]一種石墨烯/泡沫鎳復(fù)合材料電極的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610246826.5
• 申請日: 2016-04-20
• 公開（公告）號: CN105914056B
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉敬權(quán);潘東曉;張吉振
• 申請（專利權(quán)）人: 青島華高墨烯科技股份有限公司
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/84;H01G11/24;H01G11/44;H01G11/30;H01G11/36
• 代理公司: 青島高曉專利事務(wù)所(普通合伙)37104
• 代理人: 趙映蓉,于正河

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于超級電容器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于超級電容器的石墨烯/泡沫鎳復(fù)合材料電極的制備方法，及其在對稱式超級電容器中應(yīng)用。

背景技術(shù)：

超級電容器作為一種新型儲能裝置，具有功率密度高、充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點，從結(jié)構(gòu)上看，其主要由電極、電解質(zhì)、隔膜、端板、引線和封裝材料組成，其中電極、電解質(zhì)和隔膜的組成和質(zhì)量對超級電容器的性能起著決定性的影響，采用何種電極板和電解質(zhì)材料將基本決定最終產(chǎn)品的類型與特性。由于石墨烯(graphene)具有非常高的理論比表面積、良好的導(dǎo)電性和優(yōu)異的力學(xué)性能等特質(zhì)，吸引了超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛研究興趣；從理論上講，純凈的石墨烯的重量比電容(Cg)能夠達到550Fg^-1,遠遠優(yōu)于其他碳材料。現(xiàn)有技術(shù)中研究人員已經(jīng)制備了多種石墨烯基超級電容器，例如中國專利ZL201310203648.4公開的一種基于功能型石墨烯超級電容器電極的制備方法，中國專利ZL201510780169公開的一種非晶碳/垂直石墨烯復(fù)合電極材料的制備方法，中國專利ZL201410119589公開的一種石墨烯薄膜、石墨烯超級電容器及其制備方法，中國專利ZL201410583167公開的一種3D碗裝混合納米結(jié)構(gòu)石墨烯超級電容器電極材料的制備方法等等；但是，由于石墨烯片層的堆積大大減少了其有效表面積，致使其比電容、能量密度和功率密度均低于預(yù)期值。

目前，防止石墨烯片層聚集的方法大致分為三類，添加隔層法(例如添加表面活性劑、納米粒子和聚合物等)、模板輔助成長和褶皺石墨烯片法，而構(gòu)建不使用間隔或模板的三維石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)逐漸成為一種新的方式方法。在構(gòu)建石墨烯三維結(jié)構(gòu)的過程中，首先依靠氧化石墨烯的良好分散性得到高濃度的氧化石墨烯分散液，再通過不同的還原手段(如水熱法)對氧化石墨烯進行還原，在還原過程中實現(xiàn)石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)的組裝和構(gòu)建；但是上述過程往往十分緩慢，而且液相的三維結(jié)構(gòu)在失水干燥過程中極易被破壞，以致形成不可逆的堆疊，喪失已經(jīng)得到的高比表面積。為了維持宏觀體的空間結(jié)構(gòu)有研究中采用冷凍干燥法以去除水分，但是該措施增加了操作的復(fù)雜程度和制備成本，而且效果并不明顯。

總體而言，高比表面積和較低的離子輸運阻力是高密度電化學(xué)電容儲能實現(xiàn)的兩個關(guān)鍵因素。因此，制備一種具有較大離子可及表面積的多孔徑的三維石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)，目前仍然是超級電容器領(lǐng)域所面臨的一個巨大挑戰(zhàn)；本發(fā)明研究設(shè)計出一種新型的石墨烯/泡沫鎳復(fù)合材料電極的制備方法，能夠快速制備出具有高比表面積和高孔隙率的高性能石墨烯/泡沫鎳復(fù)合材料電極，具有較好的應(yīng)用前景和科研價值。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，尋求設(shè)計一種石墨烯/泡沫鎳復(fù)合材料電極的制備方法，具有操作簡便，過程簡單，條件易控等特點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的石墨烯/泡沫鎳復(fù)合材料電極的制備方法具體包括以下步驟：

(1)鱗片狀石墨的氧化過程：首先將天然石墨置于P₂O₅和80℃條件下濃硫酸的混合液中預(yù)氧化6小時，將預(yù)氧化石墨過濾、洗滌、干燥后用高錳酸鉀繼續(xù)氧化3小時，然后加入去離子水并使溶液在35℃恒溫條件下攪拌2小時，最后加入質(zhì)量分數(shù)為30％的雙氧水溶液與未反應(yīng)的高錳酸鉀進行中和反應(yīng)，直至整個混合液的顏色變?yōu)榱咙S；

(2)氧化石墨烯的洗滌和干燥：將步驟(1)中得到的亮黃色液體在3000-5000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下離心10-30分鐘，將所得沉淀物用質(zhì)量分數(shù)為0.8％-1.5％的鹽酸水溶液分散洗滌、離心處理后倒去澄清溶液，重復(fù)上述分散洗滌、離心處理三次；然后將所得沉淀物分散到質(zhì)量分數(shù)為99.9％的甲醇中并離心處理，重復(fù)上述分散、離心處理三次，最后將所得離心產(chǎn)物在真空干燥箱中于30-60℃條件下真空干燥24小時，得到干燥氧化石墨烯固體；

(3)泡沫鎳的預(yù)處理：將厚度為0.5-5mm的泡沫鎳浸泡在摩爾濃度為0.5mol/L的稀鹽酸水溶液中超聲處理15分鐘，然后用質(zhì)量分數(shù)99.9％的丙酮沖洗5次，再用去離子水浸泡洗滌后超聲處理15分鐘以上，然后放入真空干燥箱中于50℃條件下干燥備用；

(4)氧化石墨烯/泡沫鎳復(fù)合材料的制備：將步驟(2)中制得的氧化石墨烯固體分散到蒸餾水中配置成質(zhì)量濃度為10-50mg/mL的氧化石墨烯分散液，然后將氧化石墨烯分散液均勻涂抹在步驟(3)中預(yù)處理后的泡沫鎳表面，刮下多余的氧化石墨烯分散液后放入烘箱中于30-60℃條件下干燥5小時，制得氧化石墨烯/泡沫鎳復(fù)合材料；