[發明專利]一種高密度石墨烯及其制備方法

有效

• 申請號: 201811055248.2
• 申請日: 2018-09-11
• 公開（公告）號: CN109179384B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 曹海亮;趙敏;郭俊杰;彭星
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

本發明公開了一種高密度石墨烯及其制備方法，涉及能源材料石墨烯的制備領域，步驟如下：將石墨烯溶液制備成石墨烯膜，然后將石墨烯膜還原，最后將還原的石墨烯膜在粉碎機中進行粉碎，即得到高密度石墨烯。所述制備石墨烯膜的方法為抽濾法、刮涂法，所述還原方法為熱還原、化學試劑還原。將致密的石墨烯膜在粉碎機中粉碎，不僅可以保持石墨烯高密度的結構特性，而且打碎了石墨烯膜的完整性，縮短了離子的傳輸路徑，使得本發明制備的高密度石墨烯在電化學儲能領域中具有高密度、高體積容量、優異的倍率性能和長循環壽命。與現有技術相比，本發明提供的制備方法簡單，成本低，可適用于大規模的工業化生產。

技術領域

本發明涉及能源材料石墨烯的制備領域，具體為一種高密度石墨烯及其制備方法。

背景技術

人們對便攜和移動電子設備的需求越來越高，能源存儲器件的體積容量變得尤為重要。電極材料作為重要的組成部分之一，直接決定了器件的電化學性能。以石墨烯為代表的電極材料是能源存儲領域的研究熱點。石墨烯具有結構穩定，導電性良好，比表面積大的優點。但是這些石墨烯材料難以同時滿足高密度和高質量比容量的要求。所以許多材料的優異性能并未在器件上得到很好的反映，這大大降低了其實用性。其中一個重要原因是許多關于電極材料性能的研究主要局限于質量比容量性能。然而，許多基于石墨烯的電極材料具有高孔隙率和低密度。納米材料的低堆積密度使得電極具有大量空隙，并且這些空間對于離子存儲是無效的，從而增加了器件的重量但沒有增加電容。由于密度低，這些材料的體積容量通常較低。但是對便攜式設備的需求增加以及使用空間的限制，需要能量存儲設備以盡可能小的體積存儲盡可能高的容量，所以體積能量密度非常重要。

近年來，提高電極材料密度的研究引起了廣泛關注。例如，[Nano Letters, 2008,8(10): 3498-3502.] 文章中采用水合肼還原氧化石墨烯，制備得到由石墨烯片團聚而成的石墨烯顆粒，將其與PTFE混合制成電極后的壓實密度為0.5 g/cm³，其在水系和有機系中的體積比容量分別為67.5 F/cm³和49.5 F/cm³。[Nano Energy, 2013, 2(5): 764-768.]文章中用微波輻射氧化石墨制得MEGO，然后用KOH活化得到a-MEGO，將a-MEGO與PTFE粘結劑混合均勻后卷成薄膜并沖壓成電極，壓實后的密度為0.75 g/cm³，在離子液中的體積容量為110 F/cm³。

另外，有的研究為了避免石墨烯的再堆疊現象，將不同的碳納米材料（如炭黑、單壁碳納米管等）作為間隔層插入到石墨烯片層之間，或者用褶皺的石墨烯作為電極。例如[Chemical Physics Letters, 2013, 584: 124-129.]，文章中用單壁碳納米管作為石墨烯材料的間隔層，使得石墨烯的平均孔徑由2.3 nm增加到3.8 nm，孔徑明顯增大。[ACSApplied Materials Interfaces, 2015, 7(40): 22284-22291.]，文章中用褶皺的少層石墨烯作為電極材料，活性材料的密度為0.76 g/cm³。上述研究盡管能在一定程度上增大石墨烯材料的比表面積，但是也增大了石墨烯之間的孔隙，降低了石墨烯材料的堆積密度。

綜上所述，盡管有些研究方法可以有效提高石墨烯材料的密度，但是難以克服石墨烯片之間緊密堆積的問題，這嚴重阻礙了電解質離子的傳輸，或者有的研究的石墨烯片層之間孔隙過大，堆積不緊密，導致密度小，體積容量低。因此需要一種高體積容量和高質量容量的高密度石墨烯材料的制備方法。

發明內容

本發明為了解決現有技術中高密度石墨烯制備中的各種問題，提供了一種高密度石墨烯及其制備方法。

本發明是通過如下技術方案來實現的：一種高密度石墨烯的制備方法，包括如下步驟：

（1）由石墨烯溶液制備得到石墨烯膜；

（2）將步驟（1）得到的石墨烯膜進行還原，得到有序的高密度石墨烯膜；