[發(fā)明專利]用于制備多孔石墨烯膜的方法、多孔石墨烯膜和電極

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• 申請日: 2021-04-12
• 公開（公告）號: CN113096973A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王曉京
• 申請（專利權(quán)）人: 王曉京
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/26
• 代理公司: 北京中原華和知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11019
• 代理人: 康志梅;陳偉

本發(fā)明涉及用于制備多孔石墨烯膜的方法、多孔石墨烯膜、電極和電容器。本發(fā)明既結(jié)合了凍干技術(shù)來構(gòu)建多孔連續(xù)互連的氧化石墨烯網(wǎng)絡(luò)，又結(jié)合了高壓縮技術(shù)來增強(qiáng)氧化石墨烯機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。本發(fā)明中，通過激光和微波照射還原多孔氧化石墨烯膜，從而實現(xiàn)有效的大面積還原，并實現(xiàn)高性能的超級電容器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于制備多孔石墨烯膜的方法、多孔石墨烯膜和電極。本發(fā)明還涉及多孔石墨烯膜在能量存儲裝置，例如電容器，超級電容器，電池和燃料電池中的應(yīng)用。

技術(shù)背景

超級電容器(也稱為“雙電層電容器”)是電化學(xué)電容器，其電容值遠(yuǎn)高于其他電容器。由于其高能量密度，快速充電/放電能力，超過一百萬次充電循環(huán)的長壽命以及在-40℃至70℃的寬溫度范圍內(nèi)工作的能力，超級電容器被廣泛用于儲能和能源供應(yīng)。

典型的超級電容器包括兩個被離子滲透膜(“隔膜層”)隔開的電極，以及分別連接到電極的一對集流器。

活性炭是常規(guī)超級電容器中使用最廣泛的電極材料。雖然從理論上講活性炭可提供大的比表面積，以容納大量的離子，但是其中大部分的孔是非相連通的，離子不能有效的利用其表面積，因此導(dǎo)致了低的比電容和最大能量密度大概為5-7Wh kg^-1。因此，為了進(jìn)一步提高超級電容器的比電容和能量密度，需要開發(fā)具有大的比表面積和高電導(dǎo)率的電極材料。

純石墨烯材料具有2630m²/g的超大理論比表面積，并具有出色的電導(dǎo)率(1000S/m)。更重要的是，作為二維層狀材料，材料內(nèi)部的孔全部互連，因此離子可以完全附著在這種材料的表面。因此，石墨烯一直被認(rèn)為是最有前途的高性能超級電容器的電極材料。在過去的十年中，石墨烯及其衍生物已被廣泛開發(fā)為超級電容器電極材料來代替活性炭。已經(jīng)有一些研究實現(xiàn)高性能石墨烯超級電容器。

超級電容器的應(yīng)用必須大規(guī)模生產(chǎn)多孔石墨烯薄膜。因此，目前已經(jīng)有幾種方法用來大規(guī)模制造多孔石墨烯薄膜。其中所述氧化還原方法，能夠大量低成本生產(chǎn)石墨烯多孔材料。然而，該方法已經(jīng)顯示出相對低的導(dǎo)電性和大量的材料缺陷，這些問題限制了制作超級電容器的性能。因此，現(xiàn)在所需要的是解決或改善與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的一個或多個缺點或局限，或者至少提供一種可用的替代方案。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一方面中提供了一種方法，包括：首先結(jié)合冷凍和干燥工藝(凍干法)來制作多孔連續(xù)互連的氧化石墨烯(GO)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中，GO是多孔GO，孔徑及孔隙率可以通過控制氧化石墨烯的濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在上一步的基礎(chǔ)上使用高壓工藝來增強(qiáng)氧化石墨烯的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低凍干法制作的氧化石墨烯薄膜的厚度。這個步驟中氧化石墨烯結(jié)構(gòu)的孔隙率及孔徑可以通過施加的壓力來控制的。

然后，使用光束來照射氧化石墨烯，以形成具有三維(3D)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)還原氧化石墨烯(PRGO)，所述預(yù)還原氧化石墨烯是多孔的。這個步驟中預(yù)還原氧化石墨烯的還原程度可以通過調(diào)控光功率及掃描速度控制。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使用微波(MW)輻射來照射具有3D網(wǎng)絡(luò)的預(yù)還原氧化石墨烯來實現(xiàn)氧化石墨烯的還原。這個步驟中還原氧化石墨烯(RGO)的還原程度可以通過微波輻射的強(qiáng)度及輻射時間控制。

根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種電極，其包括具有3D網(wǎng)絡(luò)的還原氧化石墨烯，其中3D網(wǎng)絡(luò)的孔洞結(jié)構(gòu)是相互連通的。

本發(fā)明還提供了一種用于制作3D多孔還原氧化石墨烯的裝置，包括：

用于容納氧化石墨烯(GO)溶液的容器；

用于形成3D多孔氧化石墨烯網(wǎng)絡(luò)的冷凍干燥設(shè)備；

用于施加壓力以壓縮多孔氧化石墨烯網(wǎng)絡(luò)的加壓設(shè)備；

用于發(fā)出光束的照射設(shè)備，用于將氧化石墨烯網(wǎng)絡(luò)預(yù)還原；和