[发明专利]一种石墨烯电极片及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，特别是涉及一种石墨烯电极片及其制备方法和应用。

背景技术

单层石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，并且其理论比表面积高达2630m²/g，可在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。

通常超级电容器包括两个电极，其中每个电极进一步包括分布在金属衬底(集流体)上的活性材料(如石墨烯)。理论上超级电容器的最大功率密度用P_max＝V²/4R表示，其中V是超级电容器的电压，R是超级电容器的等效串联电阻(包括活性材料层中内电阻和活性材料层与集流体之间的接触内阻)。

现有的石墨烯电极片的制备方法为先制备石墨烯，将石墨烯、导电剂、粘结剂和溶剂进行混料，随后涂布在集流体上，干燥去除溶剂，经过辊压和切片等工艺制得电极片。然而粘结剂的使用会增大石墨烯和集流体之间的接触内阻，进而做成电池后影响电池的功率密度。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种石墨烯电极片的制备方法，通过电沉积的方法使得石墨烯结构与集流体相结合，避免了传统方法中通过粘结剂粘合石墨烯结构与集流体所导致的接触内阻过大的问题。本发明同时提供了一种石墨烯电极片，以及该石墨烯电极片在超级电容器方面的应用。

第一方面，本发明提供了一种石墨烯电极片的制备方法，包括以下步骤：

(1)将比表面积为100～1000m²/g的石墨烯加入至强酸中于60～80℃回流12～24h，制得带有含氧官能团的石墨烯，水洗，过滤，取滤渣干燥后制得羧基化石墨烯；

(2)取羧基化石墨烯加入至极性溶剂中进行超声分散1～24h，制得浓度为0.1～5mg/ml的羧基化石墨烯分散液；

(3)取金属盐Mg(NO₃)₂·6H₂O、Mg(SO₄)₂·7H₂O或Fe(NO₃)₃·9H₂O加入至羧基化石墨烯分散液中制成电解液，电解液中羧基化石墨烯表面带负电的含氧官能团与金属盐的阳离子反应后带上正电，将两块集流体插入电解液中，分别连接恒压电源的正负极，接通电源，带正电的羧基化石墨烯通过电沉积作用沉积在负极连接的集流体上形成石墨烯薄膜，电沉积的反应时间为0.5～2h，工作电压为20～30V；

(4)关闭电源，从电解液中取出沉积有石墨烯薄膜的集流体放入马弗炉中，在还原性的气氛中500～1000℃还原0.5～5h，制得石墨烯电极片。

步骤(1)中，石墨烯经过强酸处理后表面的碳原子容易被氧化带有含氧官能团，例如羧基、羟基和羰基等。带有含氧官能团的石墨烯经水洗去除多余的强酸，水洗洗液至中性后进行过滤，取滤渣干燥后制得羧基化石墨烯。

优选地，步骤(1)中石墨烯与强酸的固液比为0.1～2g∶100ml。

优选地，步骤(1)中强酸为质量分数为70％的浓硝酸，或者为质量分数为50～68％的浓硝酸与质量分数为80～98％的浓硫酸按照体积比为1～3∶1混合制得。

优选地，步骤(1)中干燥的温度为60～80℃。

步骤(2)中，羧基化石墨烯被超声分散成羧基化石墨烯分散液。

优选地，步骤(2)中的极性溶剂为蒸馏水、二甲基酰胺或乙醇，又或者是蒸馏水与甲醇的混合物。

步骤(3)中，通过电沉积作用在负极连接的集流体上制备石墨烯薄膜。

优选地，步骤(3)中石墨烯薄膜的厚度为10～50μm。

优选地，步骤(3)中集流体为金箔、铂片、铝箔或镍箔。

步骤(4)中，对石墨烯薄膜进行还原处理，制得石墨烯电极片。

优选地，步骤(4)中还原性气体为氢气与氩气的混合气体，或氢气与氮气的混合气体，氢气占混合气体的体积百分数为5％～10％。

第二方面，本发明提供了一种石墨烯电极片，该石墨烯电极片按上述制备方法制得。

第三方面，本发明提供了一种石墨烯电极片在超级电容器方面的应用，该石墨烯电极片按上述制备方法制得。

本发明提供的一种石墨烯电极片及其制备方法和应用，具有以下优点：该制备方法通过电沉积的方法使得石墨烯结构与集流体相结合，避免了传统方法中通过粘结剂粘合石墨烯结构与集流体所导致的接触内阻过大的问题，该制备方法所制得的石墨烯电极片被应用于制备超级电容器时能够提高超级电容器的功率密度。