[发明专利]一种石墨烯薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及新材料合成领域，特别是涉及一种石墨烯薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

集流体是一种汇集电流的结构或零件，主要功能是将电池活性物质产生的电流汇集起来，提供电子通道，加快电荷转移，提高充放电库伦效率，作为集流体需要满足电导率高、机械性能好、质量轻、内阻小等特点。

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体。由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点，吸引了诸多科技工作者。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（A Peigney,Ch Laurent,et al.Carbon,2001,39,507），可用于效应晶体管、电极材料、复合材料、液晶显示材料、传感器等。石墨烯可通过一定的方法制备成石墨烯薄膜，由于石墨烯的比表面积较大，其密度较低，则石墨烯薄膜的质量较轻，同时具有高的机械性能和高电导率也能满足储能器件集流体应用的基本性能指标。

目前石墨烯薄膜的制备方法主要为过滤法，旋涂法，其中旋涂法制备出的石墨烯薄膜一般比较薄，不够均匀，过滤法制备的石墨烯薄膜不够均匀，或者较难成膜，归结其原因主要为较难得到稳定的石墨烯悬浮液。

一般可通过加入分散剂得到稳定的石墨烯悬浮液，有利于石墨烯薄膜的均匀性，但是，加入了分散剂，制备的石墨烯薄膜中不可避免地引入分散剂分子，即使水洗也不可能除尽，这些分散剂会降低石墨烯薄膜的电导率。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种石墨烯薄膜及其制备方法和应用，该石墨烯薄膜均匀，导电性强，质量轻，可应用于超级电容器和锂离子电池中作为集流体，兼具高导电性和低密度，并大大提高了超级电容器和锂离子电池的能量密度，其制备方法工艺简单。

第一方面，本发明提供一种石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

取氧化石墨加入到有机溶剂中，超声0.5~1h后，加入分散剂，所述分散剂为磺化含芴聚芳醚酮（SPAEK）溶液或磺化含芴聚芳醚砜（SPAES）溶液，继续超声0.5~1h，得到氧化石墨烯悬浮液；

在氧化石墨烯悬浮液中加入水合肼溶液，在100℃下反应12~24h，得到石墨烯悬浮液；

采用微孔滤膜真空过滤石墨烯悬浮液，将滤饼于40~60℃烘干后，揭去滤膜，得到石墨烯薄膜初产物，将所述石墨烯薄膜初产物置于真空干燥箱中，在150~250℃下进行热处理0.5~2h，得到石墨烯薄膜。

优选地，有机溶剂为二甲基亚砜（DMSO）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）或N-甲基吡咯烷酮（NMP）。

通过超声0.5~1h，可得到均匀的分散于有机溶剂中的氧化石墨烯悬浮液。

加入分散剂磺化含芴聚芳醚酮溶液或磺化含芴聚芳醚砜溶液后，继续超声0.5~1h，可以得到稳定的氧化石墨烯悬浮液。

分散剂是由溶质磺化含芴聚芳醚酮或磺化含芴聚芳醚砜固体粉末溶于溶剂中形成的溶液，即磺化含芴聚芳醚酮溶液或磺化含芴聚芳醚砜溶液。

优选地，分散剂的溶剂为二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。

优选地，分散剂的质量浓度为10~50%。

优选地，分散剂按其中的溶质与氧化石墨的质量比为5:95~20:80加入。

优选地，分散剂中的溶质磺化含芴聚芳醚酮与磺化含芴聚芳醚砜的磺化度为20%~60%。

磺化含芴的聚芳醚酮（SPAEK）与磺化含芴的聚芳醚砜（SPAES）是机械性能好，可溶解，有较好成膜性能的聚合物；SPAEK、SPAES可作为高性能分散剂，可以很好地将石墨烯分散于溶剂中，得到稳定的石墨烯悬浮液，避免石墨烯团聚现象的产生，从而可得到均匀的石墨烯薄膜；此外，由于SPAEK、SPAES是良好的导电介质，因此SPAEK、SPAES的加入不会降低石墨烯薄膜的电导率。

优选地，氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.25~1mg/mL。

优选地，以N₂H₄质量计，水合肼溶液的质量浓度为85%。

优选地，水合肼溶液按N₂H₄与氧化石墨的质量比为1~7：10加入。