[發明專利]石墨烯微球材料、其制備方法及電化學儲能器件

在審

• 申請號: 201910095658.8
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109775695A
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 呂偉;魏捷;羅沖;楊全紅;康飛宇
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;H01M4/62
• 代理公司: 深圳市鼎言知識產權代理有限公司 44311
• 代理人: 曾昭毅;鄭海威

一種石墨烯微球材料的制備方法，包括:將氧化石墨烯與去離子水混合，分散，得到氧化石墨烯水系分散液；將氧化石墨烯水系分散液和鹽溶液進行混合并加入還原劑，在擾動條件下進行還原反應制得石墨烯球水凝膠；所述氧化石墨烯水系分散液與所述鹽溶液的質量比為1:2?10:1；及烘干并清洗所述石墨烯球水凝膠，得到石墨烯微球材料。本發明還提供一種石墨烯微球材料及一種電化學儲能器件。本發明提供的石墨烯微球材料的制備方法、石墨烯微球材料及電化學儲能器件的能量密度高、制備工藝簡單且能夠調控孔結構。

技術領域

本發明涉及石墨烯材料技術領域，尤其涉及一種能夠直接組裝的高密度的多孔的石墨烯微球材料、其制備方法及電化學儲能器件。

背景技術

石墨烯由單層碳原子sp²雜化形成六角形二維蜂巢晶格，是目前已知的最輕薄材料，其特殊的化學結構使其擁有超強的導電性、超強硬度與韌性、超大的比表面積、特異的導熱性、高透光率等優秀的理化性能，引發了近年來人們的研究熱情。

石墨烯材料憑借其優異的特性在電化學領域有較高的優勢，雖然其自身具有較高的能量密度，但常規方法制得的石墨烯電極材料密度往往較低，這意味著在限定裝填體積內較小的活性物質質量與較小的能量密度，不利于構筑更加便攜的電子設備。通過毛細蒸發的方式脫除石墨烯水凝膠中的水分，可以制得高密度的具有三維多孔網絡結構的石墨烯宏觀體。這種材料在保證開放表面的同時片層緊密搭接，用作超級電容器電極材料，具有高體積能量密度儲能性能。然而通過這種方法制得的石墨烯宏觀體密度雖高，硬度也大，其形狀大多為體積較大的塊體，與現有的電極材料應用工藝不符，在進一步的應用中需要費時費力得研磨成粉體材料，才能用作超級電容器電極材料。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種能量密度高、制備工藝簡單且能夠調控孔結構的石墨烯微球材料的制備方法。

還有必要提供一種能量密度高、制備工藝簡單且能夠調控孔結構的石墨烯微球材料。

還有必要提供一種應用所述石墨烯微球材料作為電極材料的電化學儲能器件。

一種石墨烯微球材料的制備方法，包括:將氧化石墨烯與去離子水混合，分散，得到氧化石墨烯水系分散液；將氧化石墨烯水系分散液和鹽溶液進行混合并加入還原劑，在擾動條件下進行還原反應制得石墨烯球水凝膠；所述氧化石墨烯水系分散液與所述鹽溶液的質量比為1:2-10:1；及烘干并清洗所述石墨烯球水凝膠，得到石墨烯微球材料。

進一步地，所述分散采用超聲波分散。

進一步地，所述氧化石墨烯水系分散液中氧化石墨烯的濃度為1.0-4mg/ml。

進一步地，所述鹽溶液為KMnO₄、Na₂S₂O₃、FeCl₃以及Fe₂(SO₄)₃中的至少一種。

進一步地，所述還原劑為水合肼、硫脲、氫碘酸、尿素、抗壞血酸、亞硫酸氫鈉以及檸檬酸鈉中的至少一種。

進一步地，所述擾動方式為攪拌、震蕩以及低頻超聲中的至少一種。

進一步地，所述擾動的頻率為100-200rpm。

進一步地，所述還原反應的溫度為60-90℃，所述還原反應的時間為6-24h。

一種石墨烯微球材料，所述石墨烯微球材料呈微球狀且為多孔核殼結構，內部為多孔的三維網絡結構，外部為二維片層結構，所述石墨烯微球材料的球形度大于0.5且粒徑小于200μm。

一種電化學儲能器件，所述電化學儲能器件包括一電極，所述電極以所述石墨烯微球材料作為電極材料。