[发明专利]石墨烯/离子液体复合电极及其制备方法与电容器

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种石墨烯/离子液体复合电极及其制备方法。本发明还涉及采用该石墨烯/离子液体复合电极作为电极材料所制备的电容器。

背景技术

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，并获得2010年物理诺贝尔奖，再次引发碳材料研究热潮。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。石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，可用于电极材料、复合材料等。目前的制备方法中有氧化石墨还原法，这种方法会造成石墨烯结构的破坏，而且使用有毒有污染的化学试剂，对环境造成不良的影响；也有使用高温分解碳源来制备石墨烯，这种方法产量低、成本较高。超级电容器有良好循环使用寿命及高的功率密度，有广泛的应用前景。目前石墨烯用于超级电容器电极材料时需要添加粘结剂，这会导致活性材料的比重下降，影响容量的发挥，还会增加内阻，影响功率密度的发挥。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的问题和不足，提供一种石墨烯/离子液体复合电极的制备方法与采用该石墨烯/离子液体复合电极所制备的电容器中，利用室温下为固态的离子液体做溶剂，在加热状态下，通过微波剥离法制备石墨烯，提高了制备效率，且对石墨烯有很好分散性。

本发明针对上述技术问题而提出的技术方案为：一种石墨烯/离子液体复合电极的制备方法，包括如下步骤。

(a)制备石墨烯与离子液体混合物：取插层石墨加入到装有离子液体的容器中，超声后进行剥离，即得到石墨烯与离子液体混合物。

(b)制备石墨烯/离子液体复合电极：取所述石墨烯与离子液体混合物放到模具里，对模具恒定施加压后保持此压力直到冷却至室温，取出样品，再在所述样品任一面喷涂厚度为2～5um的金属膜，即得到单面喷涂金属膜的块状石墨烯/离子液体复合电极。

所述插层石墨制备方法如下：将石墨压制成石墨片作为工作电极，以铅板作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，插层剂作为电解液，将所述工作电极、所述对电极、所述参比电极放入电解池并完全浸泡在所述电解液中，并采用不锈钢片作为集流体，在5～100mA/cm2的电流密度下进行反应1～20小时，经清洗干燥后可得到纯净的插层石墨。

所述石墨为天然石墨、人造石墨、膨胀石墨中的一种，所述石墨片尺寸为75×40×7mm3。

所述插层剂为甲酸、乙酸、丙酸、硝酸、硝基甲烷中的至少一种。

在步骤(a)中，所述插层石墨与所述离子液体的质量体积比为1g：（10～100）ml；所述离子液体的温度为150～300℃；所述超声功率为1000～2000w、剥离时间为10～100分钟。

所述离子液体为：1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2，3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。

在步骤(b)中，选取的所述石墨烯与离子液体混合物的重量为20～60g，所述模具的长宽尺寸分别为200mm×300mm，所述金属膜为铜膜或铝膜。

本发明还包括利用上述制备方法制得的石墨烯/离子液体复合电极。

上述石墨烯/离子液体复合电极可作为电极材料应用在电容器中，该电容器包括由复合电极、离子液体膜、复合电极按顺序层叠组成的电芯、用于纳置所述电芯的密闭壳体，以及加注在密闭壳体的电解液，所述复合电极片未喷涂所述金属膜的一面与所述离子液体膜相接触，所述复合电极片为上述掺氮石墨烯/离子液体复合电极。

所述离子液体膜采用薄膜涂覆器制备而成，厚度为3～10um，长宽为300mm×200mm；制备所述离子液体膜的材料与所述步骤(a)中选用的离子液体相同。

与现有技术相比，本发明的石墨烯/离子液体复合电极及其制备方法，存在以下的优点：

1.利用室温下为固态的离子液体做溶剂，在加热状态下，通过微波剥离法制备石墨烯，提高了制备效率，且对石墨烯有很好分散性。

2.采用离子液体膜充当隔膜，而不使用高分子隔膜，有利于提高活性物质比重和能量密度，亦可减小电容器的体积；离子液体与石墨烯混合制备成复合电极，二者紧密接触，更有利于电子传导。