[发明专利]一种超级电容器复合电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容器电极，特别是一种超级电容器复合电极及其制备方法。

背景技术

目前市场上普遍生产销售的电容器存在充电速度慢，电流密度不大，平均寿命短等问题。石墨复合材料是一个潜在理想材料，因为石墨烯具有非凡的电气性能，不寻常的机械强度，极高的化学稳定性，并且石墨成本低，可大量采集，以石墨烯为基础制备超级电容器的也有很多。

三维石墨烯材料，在结构上不同于二维的石墨烯，二维石墨烯易团聚，难分散，很难获得高比表面积的材料，它具有三维空心多孔网状结构，网壁为石墨烯，为层状结构的石墨以及多孔的石墨碳泡沫，具有超低密度表面积、高导热、耐高温、耐腐蚀、延展性、柔韧性好等优点，单层透明且质量较高。

    化学气相沉积法是利用生长基质的原子结构“种”出石墨烯，以金属单晶或金属薄膜为衬底，在其表面上暴露并高温分解含碳化合物可以生成石墨烯结构，这种方法得到的石墨烯为单层结构，性能也比较令人满意。目前，已经用这种方法制备石墨烯的实验是选用金属钌作为基质衬底。但是由于钌属于稀有贵金属，资源有限，且价格高。

我们实验室也采用这一方法来制备石墨烯材料，但我们选的是金属镍作为基质衬底。最近，一些团体报告钴的硫化物和钴的硫化物复合材料已受聘为低成本电化学材料，因为他们能够产生非常高的理想的固态反应。金属镍的导电性能也很好。但实验表明，循环性能的镍/石墨烯是一个非常不稳定的电极材料，镍/Co₃S₄电极也是一个不稳定的电极材料，而镍/三维石墨烯/硫化钴它的稳定性高，且可循环使用寿命长，同样铜/三维石墨烯/硫化钴也具有同样优异的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种大电流充放电的超级电容器复合电极及其制备方法，它不仅充电速度快，只需10min就充电完毕，而且在大电流充电情况下，其性能依旧不变，平均寿命变长，可以循环使用8000多次。

一种超级电容器复合电极，包括基底层镍网或铜网、外层Co₃S₄纳米球薄膜和位于基底层和外层之间的中间层单层三维石墨烯。

所述的Co₃S₄纳米球薄膜为连续、大小均匀的中空硫化钴纳米球。

所述Co₃S₄纳米球的直径为3~50nm，优选10-20nm。

所述的镍网或铜网的孔径为0.01-0.6mm，孔径优选0.01-0.1 mm。

一种制备超级电容器复合电极的方法，以镍网或铜网作为基底层，利用化学气相沉积法在基底层上生长出三维石墨烯层，再用水热法在三维石墨烯层上生长出Co₃S₄纳米球薄膜层，其具体的制备步骤如下：

1）在保护气和氢气、800 ~ 1300℃条件下，去除基底层表面氧化物层后再通入碳源气体，2-10分钟后关闭碳源，将样品迅速冷却至室温，关闭保护气和氢气；

2）将硫代乙酰胺溶液缓慢加入到Co(CH₃COO)₂·4H₂O溶液中反应，超声，再将第一步的样品放入反应液中，加热到80 ~180℃反应，其中Co(CH₃COO)₂·4H₂O与硫代乙酰胺摩尔比1:1-20；

3）通入保护气，将第二步反应得到的样品清洗、干燥后加热到200 ~ 500℃反应，得到基底层/三维石墨烯/ Co₃S₄纳米球薄膜（即Ni（Cu）/G/CS）。

步骤1中所述的去除时间为5-20分钟，所述的碳源气体选自甲烷、甲醇、乙醇或乙烷中的一种或多种；所述的保护气选自氩气或氖气；所述的碳源气体为甲烷或乙烷时碳源气体的流速为1-10 s.c.c.m.，优选3-7 s.c.c.m.；所述的碳源气体为甲醇或乙醇时，用1-10 s.c.c.m.，优选3-7 s.c.c.m.的保护气鼓泡；所述的氢气的流速为100-300 s.c.c.m.，优选150-250 s.c.c.m.；所述的保护气流速为300-600 s.c.c.m.；所述的冷却速率为200-300℃/min。