[发明专利]石墨烯电极及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯电极及其制备方法与应用。

背景技术

在家用电器设备中，使用铝电解电容的交流线路滤波器可以滤除交流电中剩余的纹波，从而达到保护电路的目的。然而，铝电解电容经常是电子电路中最大的元器件，从而限制了电器的小型化发展。随着人们对多功能便携式电子设备的需求，制备高效、低成本、长寿命、更紧凑和小型化的电子电路已成为当务之急。因此，开发一种更高电容量、更小体积的电容代替铝电解电容，对于电子器件的发展具有重要的意义。超级电容器，又称作双电层电容器或者电化学电容器，通过外加电场的作用下，在电解液和电极间的界面上积累电荷来储存能量。由于其储能的过程是可逆的，并不发生化学反应，因此超级电容器可以反复充放电数万次。同时，其比能量密度比铝电解电容器高几个数量级。尽管这些优异性能使超级电容器具有替代铝电解电容的潜在优势，但是由于其内阻大和频率响应差等原因限制了其在交流线路滤波器中的实际应用。因此，如何设计和制备具有内阻小和频率响应快的超级电容器是亟待解决的问题。新材料的出现为解决这个问题提供了新的思路。石墨烯，即单层石墨，是由sp²杂化碳原子相互连接形成单分子层厚二维蜂窝状结构的新型碳材料。石墨烯由于其超高的比表面积、非同寻常的导电性和优异的力学性能，在新型储能材料方面掀起了巨大的研究热潮。将石墨烯作为超级电容器的电极材料，通过对其结构和形貌的调控来提高电子和离子的传输能力，减小超级电容器内阻和提高速度响应性能，从而有望替代铝电解电容实现交流滤波性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯电极及其制备方法与应用。

本发明提供的制备石墨烯电极的方法，包括如下步骤：将氧化石墨烯的水溶液和高氯酸锂的水溶液混匀作为电解液，以抛光的金属基底为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片为对电极，恒电位进行电化学还原反应，反应完毕后将产物再于高氯酸锂水溶液中进行还原反应，反应完毕得到所述石墨烯电极。

上述方法中，所述电解液中，所述氧化石墨烯的浓度为2.0-4.0mg/mL，优选3.0mg/mL；所述高氯酸锂的浓度为0.5-1.5mol/L，优选0.1mol/L。

构成所述金属基底的材料选自金、镍、铝和不锈钢中的至少一种，优选金；所述金属基底的厚度为20-500微米，优选200微米。

所述电化学还原反应步骤中，电位为-1.0至-1.3V，优选-1.2V；还原时间为5-60秒，优选10秒；测试电极面积为1-3cm²，优选1.4cm²。

所述还原反应步骤中，所述高氯酸锂水溶液的浓度为1mol/L，时间为10-60秒，优选30秒。

上述制备石墨烯电极的方法，还包括如下步骤：在所述还原反应步骤之后，将反应体系用去离子水冲洗。

按照上述方法制备得到的石墨烯电极，也属于本发明的保护范围。其中，所述石墨烯电极为三维孔结构。所述三维孔结构中，孔径为5-20微米，优选10-15微米，厚度为10-60微米，优选20微米。

另外，以上述本发明提供的石墨烯电极为电极的电容器，也属于本发明的保护范围。其中，所述电容器的充放电时间为0.8-4毫秒，优选1.35毫秒；内阻为0.09-0.14欧姆，优选0.1欧姆；面积比电容为250-890μFcm^-2，优选400μFcm^-2。

以上述本发明提供的石墨烯电极组装电容器的方法具体步骤包括：将两片上述石墨烯电极和水性隔膜在氢氧化钠(NaOH)水溶液中浸泡1小时后，按照三明治结构将电极和隔膜组装成两电极对称构型的电容器。该组装方法中，氢氧化钠溶液浓度4-6mol/L，优选5mol/L；浸泡时间0.5-2小时，优选1小时；水性隔膜厚度25-150微米，优选60微米；恒电流充放电速度40-800μA cm^-2，优选700μA cm^-2。