[發(fā)明專利]復(fù)合石墨烯薄膜、高能量超級電容器和智能柔性器件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910022830.7
• 申請日: 2019-01-10
• 公開（公告）號: CN109755027B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李峰;李莊男;成會明;郭正曉;孫振華
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/36;H01G11/86;H01G11/12;H01G11/26
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發(fā)明公開了一種復(fù)合石墨烯薄膜、高能量超級電容器和智能柔性器件，屬于電化學(xué)儲能技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過精確調(diào)控石墨烯薄膜的片層間距，使片層間距與電解液中離子尺寸匹配，實現(xiàn)了電化學(xué)儲能過程優(yōu)化，而極大提高了電容器所儲存的能量，并基于該薄膜構(gòu)建了智能化輸出的柔性器件。本發(fā)明工藝過程簡單與現(xiàn)有技術(shù)兼容，且能大規(guī)模制備，可大幅提升器件的儲能性能，因此具有極大的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)儲能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合石墨烯薄膜、高能量超級電容器和智能柔性器件。

背景技術(shù)

超級電容器具有可快速充電、功率高、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、安全性能高等優(yōu)點，可以用作大功率電源，在混合電動汽車、備用電源、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域都具有廣闊的發(fā)展前景。然而，超級電容器相比于電池較低的能量密度(即單位體積內(nèi)儲存的能量)限制了其更廣泛的應(yīng)用范圍。尤其在便攜式智能設(shè)備的實際應(yīng)用中，實現(xiàn)有限體積內(nèi)更多的能量儲存成為了需求，即提升體積能量密度。

電極材料是超級電容器的重要組成部分，近年來，石墨烯、碳納米管等新型碳材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用給儲能領(lǐng)域帶來了巨大的推動。以石墨烯材料為例，其作為超級電容器電極的理論容量高達550F g^-1，同時具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。另外，相比于過渡金屬材料，石墨烯材料可以在更高的電位窗口下穩(wěn)定工作，具有了作為高能量、高功率超級電容器電極的巨大的應(yīng)用潛力。

目前，許多工作對于如何提高石墨烯材料的容量做出了研究，然而，其對于能量密度帶來的提升卻遠達不到實際應(yīng)用的需求。為了實現(xiàn)最終能量密度的提高，一個從器件本身角度出發(fā)，對于材料的制備是必不可少的。其中一個重要因素是超級電容器的工作電位窗口，通常情況下由所選擇的電解液所決定。離子液體具有高達4.0V的電位窗口，被認為是實現(xiàn)高能量密度超級電容器的良好選擇。而如何制備一種電極材料，使其可以與不同的電解液匹配(即電極材料孔隙率可調(diào)控)，從而實現(xiàn)性能的最優(yōu)化卻仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。并且在便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品的應(yīng)用中，所制備的超級電容器的柔性也是必不可少的。此外，為滿足不同的輸出需求，是否可以通過智能化設(shè)計使得單一器件可以實現(xiàn)可選擇性輸出的功能也依然需要解決。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)合石墨烯薄膜、高能量超級電容器和智能柔性器件。首先，通過調(diào)控電極材料的孔隙結(jié)構(gòu)使其匹配電解液中離子的尺寸，實現(xiàn)了整個器件的高能量密度輸出，達到了鉛酸電池的水平且同時具備更高的功率密度；基于此構(gòu)建了可智能輸出的全固態(tài)柔性器件，因此具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種復(fù)合石墨烯薄膜，該復(fù)合石墨烯薄膜的制備過程為：將氧化石墨與熱膨脹還原石墨烯以一定比例加入水中，通過超聲分散得到均勻的懸浮液；然后將均勻的懸浮液進行真空抽濾得到薄膜并晾干；晾干后的薄膜進行碘化氫蒸汽還原提升其導(dǎo)電性后，即獲得所述復(fù)合石墨烯薄膜；所述復(fù)合石墨烯薄膜中，熱膨脹還原石墨烯的含量為40-60wt.％。

該復(fù)合石墨烯薄膜的厚度為10-200微米之間。

該復(fù)合石墨烯薄膜是由氧化石墨與熱膨脹還原石墨烯組成，熱膨脹還原石墨烯片均勻分散于氧化石墨中；通過調(diào)控氧化石墨與熱膨脹還原石墨烯之間的比例(即調(diào)整石墨烯片層堆疊的方式)，能夠調(diào)整石墨烯的片層間距。

所述復(fù)合石墨烯薄膜作為電極活性物質(zhì)使用，由于其具有自支撐的結(jié)構(gòu)特點，可直接作為工作電極而無需使用額外的集流體。利用復(fù)合石墨烯薄膜構(gòu)建高能量超級電容器，可采用以下兩種方式：

第一種方式為：以復(fù)合石墨烯薄膜直接作為工作電極，按照電極-隔膜-電極的順序裝配，并注入離子液體作為電解液，組裝成高能量密度的超級電容器；所述隔膜為三層結(jié)構(gòu)的聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯復(fù)合隔膜、單層聚丙烯膜、單層聚乙烯膜、玻璃纖維隔膜或纖維素隔膜；