[发明专利]一种石墨烯/导电聚合物复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，尤其涉及一种石墨烯/导电聚合物复合材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器又叫双电层电容器，是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，在电动汽车、电子产品等方面有着巨大的市场潜力。目前，超级电容器的电极材料主要是活性炭，它具有比表面积较大、容量大、催化性能、稳定性能和电化学性能良好的优点，但随着市场对于超级电容器电池性能要求的不断提高，活性炭的功率密度和能量密度已经很难满足科技的迅猛发展。

研究人员发现导电聚合物具有较高的电容量，可作为电池电极材料的添加剂改善电池的电化学性能。聚苯胺是导电聚合物的代表，具有优良的环境稳定性和较高的氧化还原性，理论比容量大于1000F.g^-1，但是聚苯胺的导电率不高，并且在充放电循环中，聚苯胺的体积发生膨胀/收缩变化，造成高分子链破坏，最终导致聚苯胺电极材料的电性能下降，这就限制了聚苯胺材料的应用。经过研究发现，石墨烯具有极大的比表面积和优良的导电率，利用石墨烯和聚苯胺的协同效应，不仅可以改善聚苯胺的循环稳定性，还可以降低复合材料的内阻。

现有技术公开了多种石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法，比如石高全等报道了一种石墨烯/聚苯胺复合电极材料的制备方法，该方法将石墨烯与聚苯胺纳米纤维混合后真空过滤得到石墨烯/聚苯胺复合电极材料，其比电容达到210F.g^-1，800次循环后，容量损失26.1%（ACS NANO，2010，Vo1.4,1963-1970），但是该方法中石墨烯极易团聚，采用上述技术很难获得结构均匀的复合材料。中国专利201110196313.5公开了一种石墨烯负载有序聚苯胺纳米棒电极材料的制备方法，该方法将磺化石墨烯均匀分散在溶有氧化剂的酸性水溶液中，然后与苯胺溶液混合，在-10℃~0℃下静置反应，得到石墨烯负载有序聚苯胺纳米棒电极材料，但是该方法需要低温处理，所用的酸性水溶液低温下易出现凝固，制备的复合产物均匀性不好，并且片层结构的复合材料在大电流充放电时极易发生团聚从而影响其倍率特性，限制了材料的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种石墨烯/导电聚合物复合材料及其制备方法，制备的复合材料在大电流充放电时，具有良好的倍率性能。

本发明提供了一种石墨烯/导电聚合物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

A）将石墨烯溶液或改性石墨烯溶液进行喷雾干燥得到石墨烯微球；

B）将所述步骤A）得到的石墨烯微球与液态导电聚合物单体混合、浸润，得到反应前驱体；

C）将所述步骤B）得到的反应前驱体与含有氧化剂的酸溶液混合，进行聚合反应得到中间产物；

D）将所述步骤C）得到的中间产物进行还原处理，得到石墨烯/导电聚合物复合材料。

优选的，所述步骤A）中，所述改性石墨烯溶液选自氧化石墨烯水溶液、酰氯化石墨烯水溶液、氨基化石墨烯水溶液中的任意一种或几种。

优选的，所述石墨烯溶液或改性石墨烯溶液的浓度为0.01%wt~3wt%。

优选的，所述步骤A）中，所述喷雾干燥的温度为50℃~700℃。

优选的，所述步骤B）中，所述液态导电聚合物单体选自苯胺、吡咯、苯硫醚中的任意一种或几种。

优选的，所述步骤C）中，所述氧化剂选自过硫酸铵、氯化铁、碘酸钾中的任意一种或几种。

优选的，所述步骤C）中，所述酸溶液选自盐酸溶液、硫酸溶液、高氯酸溶液中的任意一种或几种；所述酸溶液的浓度为0.05mol/L~8mol/L。

优选的，所述石墨烯微球、液态导电聚合物单体与氧化剂的质量比为（0.05~15）:1:（0.1~5）。

优选的，所述步骤C）中，所述酸溶液中还包括表面活性剂；所述表面活性剂与氧化剂的质量比为（0.1~5）:（0~1）。

本发明还提供了一种石墨烯/导电聚合物复合材料，包括石墨烯微球和包覆于所述石墨烯微球表面的导电聚合物。

与现有技术相比，本发明首先将石墨烯溶液或改性石墨烯溶液进行喷雾干燥得到石墨烯微球，然后将得到的石墨烯微球与液态导电聚合物单体混合、浸润，再与含有氧化剂的酸溶液混合，进行聚合反应，最后经过还原处理，即可得到石墨烯/导电聚合物复合材料。该复合材料由纳米级的导电聚合物包覆于石墨烯微球表面形成，避免了石墨烯在大电流充放电时发生团聚，从而提高其在大电流充放电时的倍率性能。