[发明专利]高倍率活性炭/活性石墨烯复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高倍率活性炭/活性石墨烯复合超级电容器电极材料及其制备方法。其特征在于：将活性炭均匀分散到含有活化剂的氧化石墨烯溶液中，加热除去其中的水分，然后在保护性气氛中将得到的混合物在一定的温度下进行还原与活化，最后再将产物进行洗涤、过滤和干燥，得到活性炭/活性石墨烯复合电极材料。本发明所提供的活性炭/活性石墨烯复合电极材料具有高的比容量和优异的倍率性能，其在2～10A/g的电流密度范围内比电容稳定在250F/g。且该活性炭/活性石墨烯复合材料的制备方法具有工艺过程简单、省时、成本低及易于实现大规模工业生产等优点。

技术领域

本发明涉及电化学超级电容器技术领域，具体涉及一种高倍率活性炭/活性石墨烯复合超级电容器电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器(Supercapacitor)，又称为超电容(ultracapacitor)、电化学电容器(Electrochemical Capacitor，EC)、电化学超级电容器(ElectrochemicalSupercapacitor)，是一种新型储能器件，其能在几秒钟内完成充电。此外超级电容器还具有输出功率密度高、工作温度范围宽、循环寿命长、经济环保等特点。超级电容器在可再生能源利用、交通、电力、通讯、国防等领域有着巨大的应用价值和市场潜力。特别是风力、光伏发电及电动车的兴起使得超级电容器这一新型储能技术的研发日益受到重视。

石墨烯(graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型蜂窝状晶格结构的晶体，被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元。石墨烯具有独特的物理特性，如较高的比表面积(理论比表面积高达2630m²/g)和很高的导电率(电阻率约为10^-6Ω·cm)。石墨烯是一种具有广阔应用前景的储能材料，如石墨烯基材料可以用作超级电容器的电极材料。石墨烯的制备方法有微机械剥离法、表面生长法(外延生长、气相沉积等)、化学剥离法、化学合成法(有机前躯体合成和溶剂热合成)等。其中化学合成法最适应于大规模生产石墨烯材料。化学合成法中最主要的是化学还原法，比如利用水合肼等强还原剂进行还原、高温加热还原、微波辐照还原、电化学还原等，都可以得到具有高导电性高比表面积的石墨烯材料。

虽然石墨烯的理论比表面积很高，由于片层叠跺，化学法制备的石墨烯的比表面积远远低于理论值，作为超级电容器电极材料所能达到的比电容也较低。对石墨烯进行活化处理，可以大幅度提高其比表面积和比电容。

目前，活性石墨烯的制备方法有物理活化法和化学活化法，物理活化法是在高温下，石墨烯原料在催化剂的作用下，其中的碳与氧化性气体反应，部分碳气化而制得具有高比表面积的活性石墨烯。常用的活化剂有碱金属、铁、碳酸盐等。化学活化法是在活化剂的作用下，石墨烯原料中的氢或氧被部分或全部脱除，同时对其进行碳化活化。常用的活化剂有磷酸、氯化锌、氢氧化钾或部分重金属。

活性炭材料具有生产成本低、制造工艺简单和比表面积大等优势。由于导电性较差，商品化活性炭的电化学性能会随着电流密度的增大而快速衰减。而无论是在水系还是在有机系电解质溶液中，活性石墨烯材料的高导电性、高比表面积、高比容量、高倍率性能等特性是对活性炭材料的一种良好的补充。将活性炭与活性石墨烯进行复合不仅能提高电极材料的比电容值，而且能使复合材料表现出高的倍率性能。

截止到目前，活性炭与活性石墨烯材料复合的研究较少。仅有关于活性炭与石墨烯复合的报道。据文献报道，张凯等人利用溶胶凝胶的方法将石墨烯和酚醛树脂基活性炭进行原位复合来制备活性炭/石墨烯复合电极材料。而其采用的溶胶凝胶过程耗时较长，所用碳源的炭化过程对环境污染严重。此外，还有将活性炭与石墨烯进行机械混合制备复合电极材料的报道，但采用此方法很难保证石墨烯在活性炭表面的均匀分散。