[發(fā)明專利]一種碳納米管/石墨烯/活性炭復(fù)合電極材料及其制備方法及其應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2019-09-26
• 公開（公告）號: CN110797202B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 元金石;秦祿昌;張元賽;劉冬冬
• 申請（專利權(quán)）人: 威海三合永新能源科技有限公司
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/34;H01G11/36;H01G11/86
• 代理公司: 威海恒譽(yù)潤達(dá)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 37260
• 代理人: 鹿剛

本發(fā)明涉及一種碳納米管/石墨烯/活性炭復(fù)合電極材料及其制備方法及其應(yīng)用，該碳納米管/石墨烯/活性炭復(fù)合電極材料通過在分散劑水溶液中加入活性炭、碳納米管、氧化石墨烯混合均勻，再將混合后的混合溶液加入到反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行攪拌，并在還原劑和一定溫度條件下進(jìn)行共還原反應(yīng)，最后將得到的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行過濾清洗、干燥，得到高性能的碳納米管/石墨烯/活性炭三元復(fù)合電極材料。該碳納米管/石墨烯/活性炭復(fù)合電極材料具有分級的三維多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積和優(yōu)良的導(dǎo)電性，克服了活性炭孔隙結(jié)構(gòu)單一的缺點(diǎn)，使其在有機(jī)電解液下仍具有高比容量和高倍率性能，可作為超級電容器的電極材料，廣泛應(yīng)用于電化學(xué)材料制備領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種碳納米管/石墨烯/活性炭復(fù)合電極材料及其制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

超級電容器有著功率密度高、充放電循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)，與其他現(xiàn)有的儲能技術(shù)相比，具有數(shù)萬次充放電循環(huán)壽命和高電流充放電特性的超級電容器被廣泛地應(yīng)用于消費(fèi)電子、智能手表、智能電網(wǎng)、新能源汽車和航空航天等領(lǐng)域。

超級電容器的電極材料是影響超級電容器性能和生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。目前超級電容器的電極材料主要包括具有電容特性的碳材料、具有贗電容性能的金屬氧化物和具有贗電容性能的導(dǎo)電聚合物三類。

碳材料有多種形態(tài)，其中活性碳材料是最早應(yīng)用于電容器領(lǐng)域的電極材料，此外，應(yīng)用于超級電容器的碳基材料還有石墨烯、碳納米管、炭氣凝膠等。活性碳材料具有高導(dǎo)電性、高比表面積(1000m²/g)、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、化學(xué)惰性好、耐熱性好、來源廣泛、制備方法簡單、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前商業(yè)化最為成功的碳材料之一。

但是活性炭材料卻存在著孔隙結(jié)構(gòu)單一、孔結(jié)構(gòu)以微孔為主，介孔數(shù)量較少等缺點(diǎn)。較低的介孔率導(dǎo)致活性炭超級電容器電極材料的倍率性能和大電流下的功率密度變差，限制了其作為超級電容器電極材料的應(yīng)用。

石墨烯作為另一種應(yīng)用十分廣泛的超級電容器電極材料，其具有非常大的理論比表面積(2630m²/g)和優(yōu)異的電子遷移率(15000cm²/Vs)等特性，使其成為超級電容器電極材料的理想選擇。經(jīng)過化學(xué)法還原得到的石墨烯具有分級多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導(dǎo)電性，將石墨烯與活性炭進(jìn)行復(fù)合，不僅可以提高其比容量，還可以更好地改善其倍率性能和大電流下功率密度變差的問題。

截止目前，石墨烯與活性炭復(fù)合材料的制備已有一定的報道。如陳永勝等人利用水熱碳化和化學(xué)活化兩步法制備了三維多孔的石墨烯/活性炭復(fù)合電極材料；閆景旺等人利用高溫碳化和化學(xué)活化兩步法制備了石墨烯/活性炭復(fù)合電極材料。

在已見的相關(guān)報道中，都采用了至少兩步法獲得石墨烯/活性炭復(fù)合材料，其過程繁瑣、耗時時間較長、活化過程所用化學(xué)試劑對環(huán)境有害、對設(shè)備腐蝕性較大，活化工藝對于材料本身的結(jié)構(gòu)破壞也較大，且活化后的電極材料產(chǎn)率較低，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

而碳納米管作為一維碳基納米材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，電導(dǎo)率通常可達(dá)銅的1萬倍。因此，將碳納米管與石墨烯/活性炭進(jìn)行復(fù)合可以有效地降低材料的內(nèi)阻，提高復(fù)合材料的電容特性。如何將碳納米管、氧化石墨烯、活性炭三種材料有效復(fù)合在一起使碳納米管/石墨烯/活性炭復(fù)合電極材料適于做有機(jī)電解液的超級電容器的電極材料是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)的不足，提供一種高性能的碳納米管/石墨烯/活性炭復(fù)合電極材料。

為此，本發(fā)明提供了一種碳納米管/石墨烯/活性炭復(fù)合電極材料的制備方法，其包括以下步驟：

(1)將氧化石墨烯、活性炭、碳納米管按照一定的質(zhì)量比混合均勻，氧化石墨烯質(zhì)量占比5％～90％，活性炭質(zhì)量占比5％～90％，碳納米管質(zhì)量占比5％～10％；

(2)將步驟(1)得到的混合物加入到分散劑水溶液中混合均勻；