[發明專利]復合石墨烯薄膜、高能量超級電容器和智能柔性器件

有效

• 申請號: 201910022830.7
• 申請日: 2019-01-10
• 公開（公告）號: CN109755027B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 李峰;李莊男;成會明;郭正曉;孫振華
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 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

本發明公開了一種復合石墨烯薄膜、高能量超級電容器和智能柔性器件，屬于電化學儲能技術領域。本發明通過精確調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，實現了電化學儲能過程優化，而極大提高了電容器所儲存的能量，并基于該薄膜構建了智能化輸出的柔性器件。本發明工藝過程簡單與現有技術兼容，且能大規模制備，可大幅提升器件的儲能性能，因此具有極大的應用前景。

技術領域

本發明涉及電化學儲能技術領域，具體涉及一種復合石墨烯薄膜、高能量超級電容器和智能柔性器件。

背景技術

超級電容器具有可快速充電、功率高、循環壽命長、工作溫度范圍寬、安全性能高等優點，可以用作大功率電源，在混合電動汽車、備用電源、便攜式電子設備等領域都具有廣闊的發展前景。然而，超級電容器相比于電池較低的能量密度(即單位體積內儲存的能量)限制了其更廣泛的應用范圍。尤其在便攜式智能設備的實際應用中，實現有限體積內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現和應用給儲能領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，同時具有良好的導電性和穩定性。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用的需求。為了實現最終能量密度的提高，一個從器件本身角度出發，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控)，從而實現性能的最優化卻仍然面臨巨大挑戰。并且在便攜式和可穿戴電子產品的應用中，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計使得單一器件可以實現可選擇性輸出的功能也依然需要解決。

發明內容

本發明的目的在于提供一種復合石墨烯薄膜、高能量超級電容器和智能柔性器件。首先，通過調控電極材料的孔隙結構使其匹配電解液中離子的尺寸，實現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；基于此構建了可智能輸出的全固態柔性器件，因此具有廣闊的市場應用前景。

本發明所采用的技術方案如下：

一種復合石墨烯薄膜，該復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電性后，即獲得所述復合石墨烯薄膜；所述復合石墨烯薄膜中，熱膨脹還原石墨烯的含量為40-60wt.％。

該復合石墨烯薄膜的厚度為10-200微米之間。

該復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；通過調控氧化石墨與熱膨脹還原石墨烯之間的比例(即調整石墨烯片層堆疊的方式)，能夠調整石墨烯的片層間距。

所述復合石墨烯薄膜作為電極活性物質使用，由于其具有自支撐的結構特點，可直接作為工作電極而無需使用額外的集流體。利用復合石墨烯薄膜構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；所述隔膜為三層結構的聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯復合隔膜、單層聚丙烯膜、單層聚乙烯膜、玻璃纖維隔膜或纖維素隔膜；