[發明專利]基于石墨烯/聚合物/水泥復合材料的結構超級電容器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010594695.6
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111755259B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 張東;徐暢
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01G11/56
• 分類號: H01G11/56;H01G11/32;H01G11/84;H01G11/86
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 顧艷哲

本發明涉及一種基于石墨烯/聚合物/水泥復合材料的結構超級電容器及其制備方法，該結構超級電容器是由結構電極和結構電解質組成的三明治疊層結構，所述結構電極為石墨烯，所述結構電解質為聚合物?無機離子水溶液和水泥的水化產物，所述聚合物的質量占水泥質量的1％～20％。與現有技術及相比，采用堿性聚合物電解質代替液態電解質作為導電相，本發明中制備的基于石墨烯/聚合物/水泥復合材料的結構超級電容器，同時提高了其電學性能和力學性能，能夠實現特殊條件下的儲能應用。

技術領域

本發明涉及儲能以及電化學領域，具體涉及一種基于石墨烯/聚合物/水泥復合材料的結構超級電容器及其制備方法。

背景技術

21世紀以來，人們開始尋求如太陽能、風能等新能源來解決傳統能源枯竭和污染問題，但是新能源發電的間斷性和波動性引起了能源供需不匹配問題，因此儲能材料對產生的電能進行存儲以及合理利用就顯得越來越有意義。如果能夠將儲能功能和結構承載功能結合，制造出兼具儲能與結構功能的復合材料和結構，便可以減小儲能裝置的自重和體積，并降低系統的復雜性、故障率和成本。該結構儲能材料還能夠有望在航空航天、汽車和建筑等領域體現出重要的應用價值。結構儲能裝置包括結構電池、結構超級電容器和結構介電電容器，與結構介電電容器相比，結構超級電容器具有更高的能量密度，與結構電池相比，它具有更高的功率密度和耐久性。因此，結構超級電容器的綜合性能介于結構電池與結構介電電容器之間。

結構超級電容器的電學性能和力學性能之間存在著此消彼長的矛盾。當力學性能提高時，電學性能下降，反之亦然。如今已經提出了不同的解決方案來克服這些問題。針對這一矛盾問題，最為廣泛的方法是制備出兼具力學性能和電學性能的復合材料。結構超級電容器是由結構電極和結構電解質組成的，目前用于結構超級電容器的電極材料多為碳纖維、碳納米管、石墨烯和碳氣凝膠。通過采用電導率高、比表面積大的電極材料來增強其電學性能。結構電解質具有導電相和結構相。其中，導電相提供導電性能，結構相提供力學性能。結構電解質需要同時具有優異的結構性能和儲能特性。針對結構超級電容器的電學性能和力學性能，通常采用聚合物或無機膠凝材料作為結構電解質的結構相，例如環氧樹脂、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙二醇二縮水甘油醚等。采用無機水溶液、離子液體或鋰鹽作為導電相，但是結構相與導電相的比例變化都會引起其中一個性能的降低。因此，結構電解質的力學性能和電學性能的矛盾還是沒有被徹底解決。

發明內容

本發明的目的就是為了解決超級電容器的電學和力學性能無法同時得以改進的問題，而提供一種基于石墨烯/聚合物/水泥復合材料的結構超級電容器及其制備方法。

一種基于石墨烯/聚合物/水泥復合材料的結構超級電容器，該結構超級電容器是由結構電極和結構電解質組成的三明治疊層結構，所述結構電極為石墨烯，所述結構電解質為聚合物-無機離子水溶液和水泥的水化產物，所述聚合物的質量占水泥質量的1％～20％。

優選地，所述聚合物選自水溶性聚合物，選自聚乙烯醇、醋酸乙烯酯共聚物、聚丙烯酸或聚丙烯酰胺中的一種，更優選為聚乙烯醇，聚乙烯醇，重均分子量為30000-150000，醇解度為88-99％。

優選地，所述無機離子水溶液選自KOH溶液、NaOH溶液或LiOH溶液，所述聚合物與無機離子水溶液的質量比為(0.5～2)：1。

水溶性聚合物的添加能夠不斷與無機離子水溶液發生絡合和解絡合過程來實現離子導電，還能夠與硬化水泥漿體能夠形成一種雙連續相結構并通過鈣離子與水泥水化產物之間的交聯來增加結構超級電容器的力學性能。

優選地，所述水泥為普通硅酸鹽水泥。

優選地，所述聚合物的質量占水泥質量的3％。

一種基于石墨烯/聚合物/水泥復合材料的結構超級電容器的的制備方法，包括以下步驟：

(1)將適量的乙醇和聚四氟乙烯混合后，加入定量的石墨烯，充分攪拌，放入烘箱中，直到得到均一的、粘稠狀的物質；