[发明专利]电极材料石墨烯纳米片的制备方法及其制备的电极片

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器领域，特别是一种超级电容器电极材料的制备方法及运用该种电极材料制备的电极片。

背景技术

炭材料由于具有高的比表面积、良好的电化学稳定性、简单的生产工艺、低的成本等优良特性而成为超级电容器中应用最为广泛的电极材料。目前应用在电容器中的多孔炭材料多种多样，包括活性炭、介孔炭、炭气凝胶、活性炭纤维以及碳纳米管等，并且都表现出较高的比电容量和能量密度。但是，一方面由于多孔炭材料孔分布与结构非常复杂，电解液在其内部扩散受到的阻力比较大，导致多孔材料的比表面积利用率非常低[A.G.Pandolfo，A.F.Hollenkamp.Carbon properties and their role in supercapacitors.Journal of Power Sources 157(2006)11-27]，并且随着充放电电流密度的增大，容量衰减现象也比较明显；另一方面，多孔炭材料的导电性比较差[Y.Wang，Z.Q.Shi，Y.Huang，Y.F.Ma，C.Y.Wang，M.M.Chen，Y.H.Chen.Supercapacitor Devices Based on GrapheneMaterials.J.Phys.Chem.C 2009，113，13103-13107.]，这也限制了其在超级电容器电极材料中的应用。其中，碳纳米管与前几种碳材料相比，具有良好的导电性，但是由于其作为电极材料时内阻比较大，同时盲孔率比较高，不利于电解液的扩散，所以其报道的比电容量并不理想[M.M.Shaijumon，F.S.Ou，；L.J.Ci，P.M.Ajayan，Chem.Commun.2008，2373.]。为了提高炭材料表面积的利用率和超级电容器的电化学性能，有必要开发新型的电极材料以改善超级电容器的性能。

石墨烯是单层或多层的二维碳原子晶体，自2004年Geim等首次成功制备出少量单层石墨烯以来，石墨烯逐渐成为碳材料和凝聚态物理领域的研究热点。石墨烯中碳原子以六边形网状结构阵点有序排列在二维平面上，每个碳原子都有一个未成键的电子，因此石墨烯具有良好的导电性。另外，石墨烯具有良好的电化学稳定性，将其制备成双电层电容器电极，其特有的层状结构有利于电解液在其内部迅速扩散，实现电子元件的瞬时间大功率充放电。理论上，单层石墨烯的两侧能够同时形成双电层，可有效地利用电极材料的比表面积，从而提高电极材料的能量密度和功率密度。

目前最常用的石墨烯制备方法包括微机械剥离，化学气相沉积法、化学还原氧化石墨烯以及热膨胀等方法。微机械剥离法事利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出石墨烯薄片，制备的样品尺寸不易控制；化学气相沉积法工艺复杂，控制变量多，成本较高；化学还原氧化石墨烯法制备的石墨烯极易团聚，有效地比表面积为竖立在团聚粒子表面的石墨烯纳米片，比表面积利用率低。热膨胀制备的石墨烯仅仅存在于尺寸非常大的蠕虫状结构的边缘部位，而粒子的本体为孔结构复杂的长条结构，不利于电解液在其内部的扩散。因而限制了石墨烯作为电极材料在超级电容器中的应用。[宋怀河，郭鹏等，一种锂离子电池导电材料、制备方法及运用其制备的电极片，中国专利，申请号：200910236785.1]报道了用超声处理的方法改进膨胀石墨烯性能，但该种方法不适合批量生产。

目前尚没有使用球磨法制备的石墨烯作为超级电容器电极材料方面的专利申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型电极材料石墨烯纳米片的制备方法，及其制得的电极片。

为达到前述目的，本发明采用的技术方案是：一种电极材料石墨烯纳米片的制备方法，其特征在于按下述方法制得。

步骤一：按照1∶10的比例称取石墨和氯酸钾，将石墨加入到体积比为2∶1的浓硫酸和浓硝酸的混合液中，接着逐步加入氯酸钾，反应温度为0～4℃，氧化反应72-100小时后，先用稀盐酸溶液再用去离子水反复清洗至无氯离子和硫酸根离子检出及pH值达中性，然后真空60℃烘干，研磨，筛分，得到氧化石墨粉末；

步骤二：取步骤一制得物，装入坩埚后放入预热至1000℃的马弗炉中，空气气氛下快速热处理10-30秒后取出，得到膨胀石墨；

步骤三：取步骤二制得物，以377∶1的球料比与磨球混合均匀，以328-528rpm的转速在行星式球磨机上球磨2h-6h，得到石墨烯纳米片。

本发明进一步的优选方案是：所述一种超级电容器的电极片，其特征在于：所述电极片由石墨烯纳米片和粘结剂按9∶1质量比组成。

本发明进一步的优选方案是：所述一种超级电容器的电极片，其特征在于：所述粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯。