[实用新型]一种垂直取向石墨烯表面修饰的集流体

说明书

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种垂直取向石墨烯表面修饰的集流体。 

背景技术

在超级电容器及二次电池等电化学储能设备中，集流体的主要作用之一是将储能活性材料存储的电荷进行集中传导。然而，由于加工过程和材料本身具有的微观粗糙表面，传统薄片型集流体和活性材料之间只有有限的接触点，这会在两者的界面上形成收缩扩散电阻。较大的接触电阻将有碍电荷传输和收集，进而影响储能倍率性能，并严重降低储能装置的功率密度。采用三维泡沫状集流体，如泡沫镍等，可在一定程度上提高集流体和活性材料的接触点数量，降低接触电阻；然而这种宏观上的三维结构仍然不足以实现与活性材料之间的充分接触，在均匀性方面也存在明显缺陷。 

在集流体表面修饰方面，公开号为CN101192669的专利申请采用导电胶粘接、热压复合或真空覆膜的方法在金属集流体表面包覆一层耐腐蚀导电薄膜材料，主要目的是为了提高集流体材料本身的导电性，并改善耐腐蚀性能；公开号为CN101159189的专利申请通过铬酸表面处理双面腐蚀及后续水洗和干燥，去除集流体表面的灰尘及其他防腐油或防粘剂，增加集流体表面活性官能团并降低集流体本身的电阻；公开号为CN1275820的专利申请采用铜氨溶液和重铬酸水溶液对集流体表面进行钝化处理，并涂覆偶联剂，主要目的是为了提高集流体和活性材料的粘合性能，提高循环寿命；公开号为CN1761087的专利申请通过对集流体的粗化处理、覆盖处理和防锈处理，提高集流体与活性材料的粘结力和防锈性，对于活性材料与集流体之间的接触电阻问题并未提及。 

公开号为CN101958418A、CN102037158A、CN102832392A和CN102426924A的专利申请则分别通过磁控溅射、热处理、粘结等方式对集流体表面进行覆碳处理，主要目的是为了防止长期使用时集流体表面被氧化，形成一层钝化的薄膜，结果存在表面的导电性降低而绝缘化的问题，所以其解决的主要问题是降低集流体本身的电阻，并不能明显降低集流体和活性材料之间的接触电阻。 

实用新型内容

针对现有技术中单纯的薄片型集流体或三维泡沫状集流体与活性材料之间由于接触电阻大导致的储能效率低的问题，本实用新型提供一种极大地降低接触电阻的垂直取向石墨烯表面修饰的集流体。 

一种垂直取向石墨烯表面修饰的集流体，所述的集流体的表面修饰一层垂直取向的石墨烯纳米片。 

本实用新型在集流体的表面修饰一层垂直取向的石墨烯纳米片，使所述的石墨烯纳米片站立于集流体表面，一端与集流体相连，另一端呈现密集的暴露边缘，形成网络结构，进而实现集流体和活性材料的充分接触，降低其接触电阻。 

作为优选，所述的石墨烯纳米片的高度为50nm～5μm，单片的厚度为1～10nm。 

集流体的选择范围较广，薄片状或三维泡沫状的集流体均可，考虑导电性因素，作为优选，所述的集流体为铜片、铝箔、不锈钢片、镍片、泡沫镍中的一种。 

本实用新型垂直取向石墨烯表面修饰的集流体是在针板电极的配合下，采用等离子体增强化学气相沉积方法，在集流体表面直接生长垂直取向的石墨烯，方法简单、成本低廉。具体包括以下步骤： 

1）采用一对针板电极，其中针形电极连接直流负高压，平板电极接地； 

2）将集流体放置在平板电极上，通过外加热，在氢气气氛中将集流体加热至700～1000℃； 

3）维持外加热，关闭氢气，通入由碳源气体、惰性气体和不定型碳刻蚀气体组成的混合气体； 

4）打开直流负高压至9000～12000V，通过针形电极表面的大曲率形成局部强电场，并在针板电极之间形成稳定的辉光放电等离子体； 

5）放电3～30分钟后，关闭直流负高压，关闭由碳源气体、惰性气体和不定型碳刻蚀气体组成的混合气体，通入氢气，关闭外加热； 

6）将步骤5）得到的样品在氢气气氛中自然冷却至室温，获得垂直取向石墨烯表面修饰的集流体。 

步骤3）或5）中所述的碳源气体为甲烷或乙炔。利用甲烷、乙炔等含碳化合物作为碳源，在等离子体的作用下，在集流体表面实现化学气相沉积，产生活性基团和离子用于石墨烯结构的构建。其中，甲烷的分解条件易于控制，不易在电极表面形成炭黑污染进而引起短路，因此，优选甲烷作为碳源气体。 

步骤3）或5）中所述的惰性气体为氩气或氦气。优选氩气，主要作用是增强电子能量并提高等离子体稳定性，同时相比于氦气来源更为广泛，价格便宜。