[发明专利]一种电化学改性石墨电极

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学改性石墨电极，属于应用电化学技术领域。

背景技术

应用电化学是将有关的电化学原理应用于与实际生产过程相关的领域，其任务是多种多样的，其中重要的有：电化学新能源体系的开发和利用，金属的表面精饰，电化学腐蚀和防护，电化学传感器的开发以及无机、有机化合物的电解合成等。应用电化学工业离不开电极，电极材料的选择极为重要。电极过程的方向和动力学、电极和电解槽的结构型式与电槽寿命、维修费用和劳动力消耗以及工艺过程的动力指标等都在很大程度上取决于电极的结构和所用的材料，尤其是在进行电极型式和电槽结构设计时，都和电极材料的耐用性、导电性、电催化活性和电能消耗有着密切的关系，不断研制性能优越的新型电极材料始终受到很大的关注。

随着社会经济的发展，人们对绿色能源和生态环境越来越关注。电化学电容器(也叫做超级电容器)作为一种新型储能器件，日益受到重视。与目前广泛使用的各种储能器件相比，电化学电容器电荷存储能力远高于物理电容器，充放电速度和效率又优于一次或二次电池。此外，电化学电容器还具有对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。电化学电容器与氢动力汽车、混合动力汽车和电动汽车的发展密切相关，与燃料电池、锂离子电池等能量供给器件相结合，能够满足启动、爬坡等条件下的瞬时高功率需求。

电化学电容器技术的发展核心是电极材料。电化学电容器按照储能机制可分为两种：双电层电容器和法拉第准电容器。双电层电容器依靠电极材料与电解质界面形成的电化学双电层来存储电荷，电极材料要求具有高比表面积，典型材料是多孔炭材料(例如，活性碳)，电解质为有机或水溶液体系，为了满足更高的能量密度要求实用中大多采用有机溶液体系；然而，多孔炭材料的能量密度和功率密度在大电流密度条件下通常迅速衰减，很难满足电动汽车等对电化学电容器高能量/高功率密度的迫切需求。法拉第准电容器依赖电极材料在电解质中的快速氧化还原反应来存储电荷，电解质通常为水溶液体系；电极材料要求具有可逆的、快速氧化还原反应，典型材料是过渡族金属氧化物(例如，水合氧化钌)和导电聚合物(例如，聚苯胺)，它们在单位面积上可以存储更多的电荷；然而，它们存在材料成本高，稳定性能差，使用寿命短等缺点。

石墨晶体结构完整，稳定性好，导电性高，通常作为电化学电容器电极的导电剂。在美国专利US2009059474A1和US2009061312A1中公开了一种石墨作为导电网络的复合电化学电容器电极材料及其制备方法。在中国专利CN101009161A中公开了一种高比表面鳞片状石墨作为电极材料的电化学电容器，展示了可以比拟活性碳的优异双电层电容特性。H.Y.Wang等人(Electrochem.Commun.10(2008)382)的研究表明石墨可以作为混合电化学电容器的正极材料。然而，利用石墨电极的准电容特性作为电化学电容器的电极至今尚未见报道。

众所周知，碳材料经过化学或电化学氧化处理后，其表面会生成含氧活性基团，从而具有了一定的准电容特性。Sullivan等人(J.Electrochem.Soc.147(2000)2636)报道了玻碳电极经过电化学改性后，具有准电容特性，可以作为电化学电容器的电极材料，但存在准电容量低、使用的玻碳电极价格高、电化学活化时间较长等缺点。综合上述双电层电容器和法拉第准电容器电极材料的优缺点，可以看出，开发一种高能量/高功率密度、低材料成本、高稳定性、长寿命的并可工业化生产的电极材料是电化学电容器目前急需解决的一个关键问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种电化学改性石墨电极，其具有高能量及高功率密度、高导电性、低材料成本、高稳定性、长寿命等特点，并且制造简易、生产成本低。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种电化学改性石墨电极，其由石墨本体和活化层组成，活化层附着在石墨本体的表面上；其中：石墨本体是由石墨材料构成的块体；活化层是直接由石墨本体在具有离子导电性的水性电解质溶液中经过电化学氧化和电化学还原循环处理后得到的产物。