[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。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（APeigney,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。目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥裂、化学氧化还原法、超声剥离法、化学气相沉积法等。这些方法目前存在一些不足的地方，如化学气相沉积法制备的石墨烯性能高但产量低，氧化还原法制备的石墨烯产量高但性能差。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，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：取石墨与离子液体的混合物加入到球磨容器中，再将与所述混合物体积比为1：（0.5～2）的球磨球加入到所述球磨容器中密封后进行球磨，球磨结束后，用筛网将所述球磨球与所述混合物分离，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。

在步骤(a)中，所述离子液体的温度为150～300℃，所述石墨与离子液体的混合物的浓度为1～200g/L；所述球磨球的直径为5～20mm，所述球磨的速度为200～800转/分钟，球磨的时间为2～12小时。

所述石墨为天然石墨、人造石墨、无定型碳、膨胀石墨中的一种。

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的混合物的重量为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片、离子液体膜、复合电极片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所制备的石墨烯/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.反应量大，效率高，石墨烯质量好，比表面积高，剥离效果良好。设备简单，操作简易可行，易于实现自动化及工业化生产。减少了调浆、混料、涂布等电极制备工艺，进一步优化了化学电容器的制造工艺，可降低制造成本。

2.使用整块石墨烯/离子液体复合物作为电极，并在其中一面涂覆了金属膜，可减少电极重量，提高活性物质比重；采用离子液体膜充当隔膜，不使用高分子隔膜，也有利于提高活性物质比重及能量密度，进而减小电容器的体积。