[发明专利]超级电容器用复合材料及电极片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容器用过渡金属/石墨烯复合材料及电极片的制备方法，属于储能器件电极材料制备技术领域。

背景技术

超级电容器，作为可以提供高功率的可持续可再生的化学能源，由于其能量密度存在极大的提升空间，作为低污染的新能源己经受到全世界的瞩目。己被大规模的应用于电子器件、通讯设备、家用电器等领域中。随着移动通讯、电动汽车、电子设备、航空航天等领域的快速发展和崛起，对于储能器件、动力电源器件提出了更高的要求，超级电容器逐渐在其中占据越来越重要的地位,同时，具有越来越重要的应用价值。新型超级电容器的发明，正是上述各领域的迫切需求。

超级电容器按照原理可分为双电层电容器和法拉第准电容器两种，常用的电极材料主要有活性碳材料、导电聚合物材料和金属氧化物材料等。碳基材料一般具有较大的比表面积，但放电电容量较低；金属氧化物具有较高的电容量，但由于其半导体属性，导电性能不好；导电聚合物热稳定性、化学稳定性和循环性能较差，在三种材料中应用最少。

过渡族金属氧化物,Ru0₂,Mn0₂,NiO,Co₃0₄,Fe₃0₄,VO_x等,因其相对于碳基材料和导电聚合物材料来说,具有较高的理论比容量和高的能量密度等优势而成为电化学电容器最有潜力的电极材料。MnO₂材料是最先被应用于超级电容的过渡金属氧化物，价格低廉，环境友好，被认为是最有可能实现实用化的电化学电容器电极材料(Toupin,M,；T.Brousse D.Belanger,Charge Storage Mechanism of MnO2Electrode Used inAqueous Electrochemical Capacitor,Chemistry of materials,2004,(16),3184-3190.)。在之后的研究中，陆续发现其他过渡金属氧化物也可作为电极材料，应用于超级电容器(Lao,Z.；K.Konstantinov；Y.Toumaire；S.Ng；G Wang H.Liu,Synthesis of Vanadium Pentoxide Powders with Enhanced Surface-Area for Electrochemical Capacitors,Journal of Power Sources,2006,(2),1451-1454.)，但是研究深入发现这类过渡族金属氧化物电极材料循环稳定性差，导电性能不好。

发明内容

本发明针对一般双电层超级电容器比电容量小、法拉第电容器导电性能差等不足，为了充分发挥电极材料的电化学性能，制备出过渡金属氧化物/石墨烯复合材料，作为一种协同优化性能的材料，可以克服现有研究中单独使用过渡族金属氧化物制备电极材料存在的循环稳定性差，导电性能不好等缺陷。本发明采用过渡金属氧化物与石墨烯复合，充分发挥过渡金属多变价态，提供充分的法拉第电容量；借助石墨烯较高的电导率，保证电容器的大电流快速充放电，提高功率密度；借助石墨烯的高比表面积和高孔隙率，使得纳米级的过渡金属氧化物颗粒均匀分散，并且起到体积缓冲作用。采用本发明材料制作的超级电容器能量密度高，有着良好的循环稳定性，并可以提供高功率的可持续可再生的化学能源。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种超级电容器用复合材料的制备方法，其特点是：所述复合材料为过渡金属/石墨烯，以化学共沉淀法制备而成，先将石墨粉在浓硫酸和高锰酸钾中反应制得氧化石墨，高温热还原成石墨烯，后将石墨烯分散在去离子水中，加入过渡金属盐，以碳酸钠为沉淀剂，得到石墨烯复合的过渡金属碱式碳酸盐；该碱式碳酸盐在空气氛围中热分解后得过渡金属/石墨烯复合材料；制备方法按照如下步骤进行：

A)通过Hummers法氧化石墨粉制备氧化石墨(GO)。过程如下：将1g-5g天然石墨与1g-2g硝酸钠在浓硫酸中混合均匀，在冰水浴下缓慢加入5g-10g高锰酸钾，控制温度不超过15℃，反应1h，转入35℃水浴锅中继续反应1h，反应结束后，缓慢向反应体系中加入去离子水，期间控制温度不超过50℃，然后转移至90-98℃水浴中进行高温反应30min，最后加入去离子水和10-20ml双氧水；将获得的样品分别用10％的盐酸和去离子水洗涤，直至体系内没有硫酸根离子存在，烘干制得氧化石墨；