[發(fā)明專利]一種碳/石墨烯復(fù)合超級(jí)電容器電極材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810606732.3
• 申請(qǐng)日: 2018-06-13
• 公開（公告）號(hào): CN108899213A
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李曉鋒;戴千;韓霜;于中振
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/24
• 分類號(hào): H01G11/24;H01G11/32;H01G11/34;H01G11/36;H01G11/44
• 代理公司: 北京五月天專利商標(biāo)代理有限公司 11294
• 代理人: 王振華

本發(fā)明涉及一種碳/石墨烯復(fù)合電極材料及其制備方法，所述電極材料通過(guò)在天然木頭的孔中填充氧化石墨烯后高溫碳化制備得到，所述電極材料具有垂直于電極平面方向的由木頭碳化形成的貫穿大孔結(jié)構(gòu)以及石墨烯構(gòu)筑的小孔結(jié)構(gòu)。所述的碳/石墨烯復(fù)合電極材料可獨(dú)立使用，無(wú)需粘接劑和導(dǎo)電劑的加入，并且厚度可調(diào)，有效降低超級(jí)電容器組裝過(guò)程中非活性材料的應(yīng)用，得到具有高面積比電容和長(zhǎng)循環(huán)壽命的超級(jí)電容器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，具體涉及一種碳/石墨烯復(fù)合超級(jí)電容器電極材料及其制備方法，尤其是通過(guò)向天然木頭中引入氧化石墨烯碳化制備碳/石墨烯復(fù)合超級(jí)電容器電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

超級(jí)電容器，也稱電化學(xué)電容器，是一類性能介于物理電容器和二次電池之間的新型儲(chǔ)能器件，兼有物理電容器高比功率和電池高比能量的特點(diǎn)。由于具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能瞬間大電流快速充放電、工作溫度范圍寬、安全、無(wú)污染等特點(diǎn)，超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車、不間斷電源、航空航天、軍事等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前化學(xué)電源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

中國(guó)專利申請(qǐng)CN201510196537.4公開一種具有多孔的導(dǎo)電石墨烯/碳納米角復(fù)合材料，所述碳納米角分布于石墨烯片層間或石墨烯片層表面上。所述復(fù)合材料有效阻止或減少石墨烯片層的層疊、團(tuán)聚，形成大量的層次結(jié)構(gòu)孔(包括微孔和介孔)和大比表面積；同時(shí)，石墨烯在碳納米角間起到橋連作用，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加其導(dǎo)電性。中國(guó)專利申請(qǐng)CN201510344931.8公開一種海綿狀硅石墨烯及碳納米管復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，該復(fù)合材料由硅粉、石墨烯和碳納米管組成，其中硅粉所占重量百分比為50％～90％，石墨烯為2％～35％，碳納米管為1％～25％；發(fā)明采用冷凍干燥或超臨界干燥的方法制得的復(fù)合材料，保留的原有骨架結(jié)構(gòu)，形成以碳納米管為骨架支撐單元，以石墨烯為搭架孔隙結(jié)構(gòu)面，共同支撐起有無(wú)數(shù)個(gè)孔隙的三維立體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)復(fù)合結(jié)構(gòu)，并將硅粉吸附在其內(nèi)部孔隙中。該復(fù)合材料導(dǎo)電性高，結(jié)構(gòu)彈性大，吸附性強(qiáng)，有效抑制了硅在沖放電過(guò)程中的體積膨脹效應(yīng)，提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。除了上述例舉這些，目前大多數(shù)研究集中在發(fā)展新的電極材料，如：碳材料，金屬氧化物，過(guò)度金屬硫化物等。然而很少有研究能通優(yōu)化電極材料的結(jié)構(gòu)來(lái)提高電化學(xué)性能。

在電極材料中，合理的設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)不僅有利于活性物質(zhì)的充分發(fā)揮作用，還可以促進(jìn)離子和電子的傳輸。具有高活性物質(zhì)負(fù)載量的厚電極不僅可以提高超級(jí)電容器的能量密度而且可以減少封裝過(guò)程中的非活性物質(zhì)的使用，節(jié)約制造成本。然而受電子和離子的傳輸?shù)挠绊懀蠖紨?shù)超級(jí)電容器的電極厚度都在微米級(jí)別（一般小于100微米），因此發(fā)展厚的電極材料也是目前研究的熱點(diǎn)之一。

為了解決以上電子和離子的傳輸問(wèn)題，在厚的電極中，保持電極材料沿著厚度方向取向，能夠有效降低電子和離子的傳輸途徑和阻力，這有利于提高電容器的倍率性能。天然的木頭具有獨(dú)特的各向異性的結(jié)構(gòu)，其沿著木頭生長(zhǎng)的方向具有許多通孔結(jié)構(gòu)。由于其高取向度的通孔，使得水分和離子在其中傳輸非常順利。木頭碳化后不僅導(dǎo)電性良好而且其垂直的孔道結(jié)構(gòu)仍能保持，非常有希望作為超級(jí)電容器的厚電極材料。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎的碳/石墨烯復(fù)合電極材料及其制備方法，結(jié)合天然木頭的垂直孔道結(jié)構(gòu)和石墨烯高比表面積來(lái)制備超級(jí)電容器的電極材料，所得具有三維多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的電極材料可獨(dú)立使用，無(wú)需粘接劑和導(dǎo)電劑的加入，并且厚度可調(diào)，有效降低超級(jí)電容器組裝過(guò)程中非活性材料的應(yīng)用，得到具有高面積比電容和長(zhǎng)循環(huán)壽命的超級(jí)電容器。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種碳/石墨烯復(fù)合電極材料，所述電極材料通過(guò)在天然木頭的孔中填充氧化石墨烯后高溫碳化制備得到，所述電極材料具有垂直于電極平面方向的由木頭碳化形成的貫穿大孔結(jié)構(gòu)以及石墨烯構(gòu)筑的小孔結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還保護(hù)上述碳/石墨烯復(fù)合電極材料的制備方法，包括如下步驟：