[发明专利]石墨烯复合电极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学电容器领域，特别是涉及一种石墨烯复合电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

电化学电容器作为一种新型储能器件，由于其充放电速率快、功率密度高、循环寿命长等优点，是继锂离子电池后又一极具应用潜力和开发价值的储能器件。然而能量密度较低是制约电化学电容器发展和应用的一个关键因素，探索如何提电化学电容器的能量密度是目前该领域研究的重点。

根据能量密度的计算公式E=1/2CV²，提高能量密度主要从两方面入手，一方面提高电化学电容器的电压窗口；另外一方面是提高电极材料的比容量，这两方面的提高都会带来能量密度的提高。

电化学电容器的电压窗口主要与电解液的耐压范围有关。离子液体是一种耐压范围较宽的电解液，其化学窗口可达到4-6V，能提高电化学电容器的电压窗口，显著增加电化学电容器的能量密度；而石墨烯作为一种二维单分子层材料，具有较高的比表面积和较高的电导率，是一种理想的电化学电容器电极材料。但离子液体由于粘度大，对电极材料的浸润性较差，这使得电极材料的比容量较难提高。

发明内容

基于此，有必要提供一种与离子液体电解液有较高的浸润性的石墨烯复合电极材料及其制备方法。

一种石墨烯复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：

按照石墨烯、碳纳米管及离子液体的质量比为5~10:5:1~2的比例称取所述石墨烯、所述碳纳米管及离子液体；

将所述石墨烯溶于溶剂中，制备石墨烯浓度为8~10mg/mL的石墨烯溶液；

向所述石墨烯溶液中加入上述称取的所述碳纳米管及离子液体，超声分散，再将得到的混合溶液置于真空环境中搅拌，除去溶剂后得到所述石墨烯复合电极材料。

在其中一个实施例中，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐或1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐。

在其中一个实施例中，所述溶剂为异丙醇或甲基吡咯烷酮。

在其中一个实施例中，所述石墨烯是通过如下步骤制备得到：

将石墨加入至浓硫酸与浓硝酸的混合溶液中，于0℃环境下搅拌混合均匀，然后向混合溶液中加入高锰酸钾，混合均匀后于85℃环境下反应，再保持温度向反应体系中加入去离子水稀释，最后加入质量分数为30%的过氧化氢溶液，搅拌反应除去未反应的高锰酸钾，对得到的混合物进行抽滤处理，抽滤得到的固体物依次使用稀盐酸和去离子水洗涤，干燥后得到氧化石墨；

将所述氧化石墨加入至去离子水中，超声分散，再对得到的分散体系进行抽滤处理，抽滤后得到的固体物干燥后得到氧化石墨烯；

在保护气体氛围中，以15-30℃/分钟的升温速率将所述氧化石墨烯从室温缓慢加热至500-700℃进行脱氧反应，反应后冷却得到的化合物即为所述石墨烯。

一个实施例中，石墨烯电极材料，由上述制备方法制备得到。

该石墨烯复合电极材料通过在具有较高的比表面积和电导率的石墨烯电极材料中增添离子液体和碳纳米管从而形成复合电极材料，该复合电极材料中增添的离子液体，能增加复合电极材料与离子液体电解液的浸润性，从而提高复合电极材料的比容量；复合电极材料中增添的碳纳米管具有优异的导电性能，且长径比较大，可以作为导电剂来形成一个导电网络，提高电极材料的电导率。因此，上述复合电极材料，具有高的比容量、优良的电导率以及与离子液体电解液有较高的浸润性的优点。

且该石墨烯复合电极材料的制备过程简单，对设备要求低，可以广泛推广应用。

此外，还有必要提供一种含有上述石墨烯复合电极材料的电极片及其制备方法以及使用该电极片的电化学电容器。

一种电极片，包括集流体以及涂覆在所述集流体上的电极浆料，所述电极浆料包括粘接剂以及石墨烯复合电极材料，所述石墨烯复合电极材料是由上述方法制备得到。

在其中一个实施例中，粘接剂为聚偏氟乙烯，集流体为铝箔。

一种电极片的制备方法，包括如下步骤：

按照石墨烯、碳纳米管及离子液体的质量比为5~10:5:1~2的比例称取所述石墨烯、所述碳纳米管及离子液体；

将所述石墨烯溶于溶剂中，制备石墨烯浓度为8~10mg/mL的石墨烯溶液；

向所述石墨烯溶液中加入上述称取的所述碳纳米管及离子液体，超声分散，再将得到的混合溶液置于真空环境中搅拌，得到含有石墨烯复合电极材料的溶液；

按照质量比为95:5的比例，将所述含有石墨烯复合电极材料的溶液与粘接剂混合均匀，得到电极浆料；