[發明專利]一種柔性超級電容器的構建方法

有效

• 申請號: 201610250044.9
• 申請日: 2016-04-21
• 公開（公告）號: CN105810448B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 邵姣婧;陳祥榮;吳海龍;伍歡羽
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: H01G11/84
• 分類號: H01G11/84;H01G11/86;H01G11/36;H01G11/56
• 代理公司: 北京聯創佳為專利事務所(普通合伙)11362
• 代理人: 韓煒

技術領域

本發明涉及一種石墨烯基柔性超級電容器的構建方法，特別是一種基于氣液界面組裝法的平面型石墨烯基薄膜超級電容器的構建方法。

背景技術

由于可穿戴電子器件的發展，人們對柔性儲能器件的要求也逐漸增大，柔性超級電容器也因此備受關注。其中，基于二維薄膜電極的柔性超級電容器以其輕質、小型化、可彎曲等特點，尤為吸引人們的注意。石墨烯作為一種二維納米碳材料，其碳原子以sp²雜化方式形成六元環蜂窩狀平面結構，它具有超高的電子遷移率(200,000cm²/V.s)、極大的比表面積(2630m²/g)、良好的導熱性能(5300W/mK)、以及優異的力學強度(40N/m斷裂強度，1TPa楊氏模量)，是一種理想的超級電容器電極材料。石墨烯二維納米片層結構賦予了它巨大的寬高比(aspect ratio)，使其能夠通過層層堆疊組裝成柔性石墨烯薄膜，在形成薄膜組裝中若合理地引入另一種納米材料，可繼而得到柔性的石墨烯基復合薄膜。

目前，已有許多文獻報道了石墨烯基柔性薄膜的組裝和制備過程，這對構建基于石墨烯薄膜電極的柔性超級電容器奠定了良好的工作基礎。其中，真空抽濾法和化學氣相沉積法是制備石墨烯薄膜的常用技術，但這些方法所得到的石墨烯薄膜普遍都是沉積在硬質基體(比如：多孔氧化鋁濾膜、銅箔、硅片)上，因此不能直接作為柔性薄膜超級電容器的電極材料，而必須通過繁瑣的基體轉移步驟將沉積在硬質基體上的石墨烯薄膜轉移到柔性基體(比如：聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)或聚對苯二甲酸乙二醇酯(Poly(ethylene terephthalate),PET)上，基體轉移過程通常需要將硬質基體蝕刻掉，所采用的柔性基體通常是聚合物基體，最終沉積在聚合物基體上的石墨烯薄膜便可直接作為柔性超級電容器的電極材料；另外，化學氣相沉積法通常用于制備純石墨烯薄膜，難以用于制備石墨烯基復合薄膜?；谑┍∧る姌O的柔性超級電容器其構型主要包括傳統“三明治”構型和平面構型，其中平面構型更有利于超級電容器體積的小型化和器件厚度的最小化。已有利用層層自組裝和化學氣相沉積法分別在石英基體和銅箔表面沉積了多層石墨烯薄膜和單層石墨烯薄膜，并基于兩種石墨烯薄膜電極設計構建了平面型超級電容器，兩種平面型超級電容器表現出的良好的電化學性能，其面積比容量分別為394μF/cm²和80μF/cm²。(J.J.Yoo,K.Balakrishnan,J.Huang,et al.Nano Letters 2011,11,(4),1423-1427.)然而，層層自組裝制備石墨烯薄膜通常需要利用帶正電荷的納米材料和帶負電荷的氧化石墨烯溶液作為前驅體，利用兩者之間的靜電相互吸引作用，反復地將基體在兩種納米材料溶液中進行浸入-清洗-干燥的循環過程，直至達到所需的薄膜厚度，因此層層自組裝過程的相當耗時復雜，并且所獲得的石墨烯薄膜往往是復合薄膜；化學氣相沉積過程雖然在制備純石墨烯薄膜方面具有顯著優勢，但其制備過程涉及高溫高熱這樣一些耗能過程，并且難以一步實現石墨烯基復合薄膜的可控制備。以上所討論的制備石墨烯基薄膜的兩種常用方法，其最關鍵問題是兩種方法所制得的石墨烯薄膜均被直接沉積在硬質基體上，無法直接應用于柔性超級電容器，只有通過復雜的基體轉移步驟，才能將所制得的石墨烯基薄膜轉移沉積到柔性基體上，然而，將薄膜從硬質基體上轉移到柔性基體上這一轉移步驟通常需要使用強腐蝕性試劑將硬質基體溶解掉，整個過程非常耗時、耗材、不環保。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種柔性超級電容器的構建方法。本發明方法構建的柔性超級電容器電化學性能好，面積比容量在1000μF/cm²以上，不僅可以構建平面型柔性超級電容器，還可以構建傳統的三明治型柔性超級電容器，同時也有利于器件的小型化和輕薄化。

本發明采用以下技術方案實現：

一種柔性超級電容器的構建方法，包括以下步驟：

(1)按氧化石墨與去離子水的質量比為0.5-2:1000向去離子水中加入氧化石墨，攪拌，直至溶液為穩定均相的氧化石墨烯水溶膠溶液，得A品；

(2)A品于60-80℃溫度下，靜置0.5-1h，直至氧化石墨烯水溶膠表面形成完整的氧化石墨烯薄膜，得B品；

(3)采用柔性薄膜作為基體，即柔性基體，將B品沉積在該柔性基體上，晾干，得C品；