[发明专利]一种石墨烯集流体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集流体领域，尤其涉及一种石墨烯集流体的制备方法。

背景技术

超级电容器是一种新型能量存储装置，具有高功率密度（为普通电池的10倍以上）、高循环寿命（循环次数可达10万次以上）、快速充放电性能好等优点，被广泛应用于军事领域、移动通讯装置、计算机、以及电动汽车的混合电源等。通常超级电容器的主要由电极活性物质层、电解质、隔膜、集流体、外壳等组装而成。现有的超级电容器的能量密度一般比较低，超级电容器的能量密度的影响因素主要有电极材料的电容，体系的电压，电极材料占电极活性物质层、集流体、外壳材料组成的总重量的比重，因此，增加电极材料的储能性能和降低器件各个组成材料的重量可以有效提高器件的性能。其中，降低集流体的质量是一个有效的提高能量密度的方法。

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。

目前，大多数的文献中或行业中，一般集流体正极采用铝箔、负极采用铜箔，由于金属集流体的密度较大，质量较重，一般集流体的重量占整个电池的20%-25%，则电极材料占整个电池的比重大大减少，最终导致超级电容器的能量密度较低。同时，金属材料容易被腐蚀，进而影响了超级电容器的使用寿命。

石墨烯可通过一定的方法制备成石墨烯薄膜或石墨烯纸，由于石墨烯的比表面积较大，其密度较低，则石墨烯纸的质量较轻，同时其高的机械性能和高电导率也能满足集流体应用的基本性能指标，因此基于石墨烯所制备的石墨烯纸可充当集流体使用，并可降低集流体的质量。

通过石墨烯悬浮液直接过滤的方法制备石墨烯纸时，往往制备的石墨烯纸不够均匀，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。由于石墨烯的比表面积较大、层间作用范德华力作用，导致其较容易团聚，不易分散。

发明内容

本发明所要解决的问题在于提供一种石墨烯集流体的制备方法，该方法制得的石墨烯集流体密度较小、不容易被腐蚀且分散性均匀。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯集流体的制备方法，包括如下步骤：

可膨胀石墨放入微波反应器中在500-1500W功率下，加热10-60S后热剥离得到膨胀石墨；

将所述膨胀石墨和离子液体混合后研磨，得到粉体；随后按照玛瑙球与粉体的质量比为15:1-20:1的球料比，置于玛瑙磨球的球磨罐中密封后进行球磨处理，到粘稠的石墨烯混合物；其中，离子液体与膨胀石墨的质量比为1:1-5:1；

将所述石墨烯混合物加入溶剂中进行超声分散，形成浓度为0.1-5mg/ml的石墨烯悬浮液；

采用微孔滤膜真空过滤所述石墨烯悬浮液，过滤后将滤饼进行干燥处理，并从滤膜揭下，得到石墨烯纸；

将所得石墨烯纸无氧环境中，于200-600℃下加热处理0.5-5h，除去离子液体，得到石墨烯集流体。

所述石墨烯集流体的制备方法，优选，所述离子液体为咪唑类离子液体；更有选，所述咪唑类离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐；1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐或1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐。

所述石墨烯集流体的制备方法，优选，所述溶剂为水、DMF（N,N-二甲基甲酰胺）、DMSO（二甲基亚砜）、DMAc（N,N-二甲基乙酰胺）或NMP（N-甲基吡咯烷酮）。

所述石墨烯集流体的制备方法，优选，所述球磨处理是：将球磨罐置于行星式高能球磨机上。调整球磨转速为350-450转/分钟，球磨时间2-6h，每球磨1小时休息20分钟。

所述石墨烯集流体的制备方法，优选，所述石墨烯悬浮液配置时的超声分散时间为1-5h。

所述石墨烯集流体的制备方法，优选，无氧环境是由气流量为50ml/min的氩气构成的。

所述石墨烯集流体的制备方法，优选，所述石墨烯纸无氧环境中的加热处理包括：以5-10℃/min的升温速率，缓慢升温至200-600℃，在此温度下加热0.5-5h。

所述石墨烯集流体的制备方法，优选，所述可膨胀石墨的平均直径为100-500目。

本发明还提供上述任一方法制得的石墨烯集流体。