[發(fā)明專(zhuān)利]一種石墨烯復(fù)合水凝膠及其制備和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910848218.5
• 申請(qǐng)日: 2019-09-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110571065B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王義;趙明宇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01G11/30
• 分類(lèi)號(hào): H01G11/30;H01G11/36;H01G11/24;H01G11/26;H01G11/44;H01G11/86;C01B32/05
• 代理公司: 上海泰能知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31233
• 代理人: 黃志達(dá);魏峯

本發(fā)明涉及一種石墨烯復(fù)合水凝膠及其制備和應(yīng)用。該復(fù)合水凝膠包括石墨烯和介孔碳納米球。該制備方法包括：將氧化石墨烯與介孔碳納米球分散在水中，采用探頭超聲至分散均勻，得到分散液，加入弱還原劑水熱反應(yīng)。該復(fù)合水凝膠組裝得到的全固態(tài)超級(jí)電容器比電容、體積能量密度較高，柔韌性好，并且在太陽(yáng)光照射下可顯著提高其電容性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超級(jí)電容器電極及其制備和應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種石墨烯復(fù)合水凝膠及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)

可穿戴設(shè)備、電子紡織品、移動(dòng)設(shè)備和植入電子等技術(shù)的快速發(fā)展使得電子領(lǐng)域正在處于一個(gè)多元化的智能設(shè)備時(shí)代，這種便攜式設(shè)備需要獨(dú)立的能量?jī)?chǔ)存和供電系統(tǒng)，并且需要具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。因此，開(kāi)發(fā)多功能自供電的柔性可穿戴智能器件的具有重要意義。目前，柔性自供電設(shè)備包括：柔性鋰離子電池，燃料電池和超級(jí)電容器等。其中，超級(jí)電容器由于其快速充放電、高功率密度，和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命正在成為一類(lèi)重要的儲(chǔ)能系統(tǒng)。靈活的柔性超級(jí)電容器可對(duì)具有低功率要求的小型化設(shè)備提供能源。開(kāi)發(fā)柔性電容器的關(guān)鍵：(1)制備具有高容量和穩(wěn)定性的電極材料；(2)具有良好的柔性和可操作性。針對(duì)這些問(wèn)題，目前的電化學(xué)電容器通常使用多孔活性炭電極構(gòu)造，通常質(zhì)量比電容約為80-120F/g，質(zhì)量能量密度約為4-5Wh/kg，仍不滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要，且單純的活性炭電極不具備柔性可操作性。最近的研究表明，石墨烯因?yàn)槠渚哂休^高的內(nèi)部電導(dǎo)率，優(yōu)異的柔韌性，超高的理論比表面積約2630m²/g，理論質(zhì)量比電容約為550F/g。同時(shí)，石墨烯可以形成機(jī)械穩(wěn)定的柔性薄膜，是開(kāi)發(fā)柔性電容器的理想材料。

然而，石墨烯片層之間存在強(qiáng)烈的π-π相互作用，它們易于堆疊形成比表面積減小的聚集體，這會(huì)嚴(yán)重降低其對(duì)離子的吸附與擴(kuò)散，從而導(dǎo)致較低的比電容(有機(jī)電解質(zhì)中通常180F/g)和相對(duì)較低的充電/放電速率。相比較而言，介孔碳納米球由于其尺度較小，比表面積大，孔徑分布均勻等特性，可以作為一種高效儲(chǔ)能的炭材料，但由于納米球?yàn)榱憔S材料，球與球之間的堆疊導(dǎo)致整體電極的內(nèi)阻較大，電子傳輸速度慢，從而使其在電化學(xué)儲(chǔ)能中的性能降低，并且傳統(tǒng)的炭材料在制備電極的時(shí)候需要加入粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑等，這會(huì)降低整個(gè)器件能量密度。因此，制備出高能量密度且保持良好的機(jī)械性能的柔性?xún)?chǔ)能器件存在著巨大的挑戰(zhàn)。

另外，對(duì)于柔性可穿戴能量存儲(chǔ)器件，特別是在全固態(tài)超級(jí)電容器中，需要解決的一大問(wèn)題是在低溫或極端環(huán)境(寒冷氣候)下超級(jí)電容器的儲(chǔ)能能力減弱。開(kāi)發(fā)一種綠色可持續(xù)的策略來(lái)增強(qiáng)低溫環(huán)境下電容器的性能至關(guān)重要。眾所周知，太陽(yáng)能是取之不盡的自然資源，引起了全世界的關(guān)注。在太陽(yáng)光的照射下，許多光熱材料可實(shí)現(xiàn)光能與熱能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)光熱加熱來(lái)提高溫度。然而，制備具有高光熱轉(zhuǎn)換能力的電容器，利用太陽(yáng)光來(lái)提升在低溫環(huán)境下的電容性能，特別是柔性電容器的電容性能，目前鮮有報(bào)道。(YI F,REN H,DAI K,et al.Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors[J].EnergyEnvironmental Science,2018,11(8):2016-24.)

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種石墨烯復(fù)合水凝膠及其制備和應(yīng)用，以克服現(xiàn)有技術(shù)中全固態(tài)超級(jí)電容器柔韌性不夠以及在低溫或極端環(huán)境下儲(chǔ)能能力減弱的缺陷。

本發(fā)明提供一種石墨烯復(fù)合水凝膠，所述水凝膠包括質(zhì)量比為1-4:1的石墨烯和介孔碳納米球。

所述介孔碳納米球?yàn)榈獡诫s介孔碳納米球，是由酚醛樹(shù)脂預(yù)聚物納米球和三聚氰胺共同煅燒得到。

所述介孔碳納米球的直徑為50-100nm，孔徑為2-5nm。

所述復(fù)合水凝膠具有多級(jí)孔的三維結(jié)構(gòu)，所述多級(jí)孔為微孔、介孔和大孔。

所述復(fù)合水凝膠可根據(jù)模具制備成任意形狀。

本發(fā)明還提供一種石墨烯復(fù)合水凝膠的制備方法，包括：