[发明专利]一种石墨烯气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容器电极材料的制备方法，具体涉及一种石墨 烯气凝胶的制备方法，属于电容器电极材料制备技术领域。

背景技术

传统电容器通常由一组导电极板加上中间的绝缘材料制成，所能提供 的电容通常是mF和μF数量级的。随着科学的发展，具有成百上千法拉的 电容器已经出现，即超级电容器，相比于电池和传统电容器，具有适中比 能量的超级电容器是介于二者之间可以通过快速充电进行能量储存在的设 备。在混合电动汽车及纯电动汽车应用方面，超级电容器因具有快速的充 电能力，可使其最大回收刹车过程中的能量，又因其具有快速的放电能力， 从而为车辆启动提供较大的加速度。

近年来，由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对 环境的污染越来越严重，人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。已经 进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发，取得了一 定的成效。但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染 环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。而超 级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池 用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的 用途。正因为如此，世界各国都不遗余力地对超级电容器进行研究。

电极是构成超级电容器的核心部件，其直接决定超级电容器的容量、 传输速率以及电容器的效率，其中从超级电容器电极中释放的能量直接取 决于电极材料与集流体界面的性质，尤其是电荷通过电极材料向集流体的 渗透性以及对集流体的腐蚀性，当材料机体表现出较低的电解液浸润性， 电解液与材料界面的结构和形貌效应将显著降低电容器的电容。因此，要 得到高性能的超级电容器，关键是要发掘新型的电极材料。

石墨烯气凝胶是一种由石墨烯制备形成的三维网状结构，具有高比表 面积、高孔隙率、高电导率以及良好的热导率和机械强度，是一种理想的 超级电容器电极材料，其一般通过水热法直接由氧化石墨水分散液制得， 例如，中国专利文献CN103413689A公开了一种制备石墨烯气凝胶的方法， 其是以氧化石墨水溶液为原料，以醇作为交联剂，通过简单的混合和分散 处理得到前驱体溶液，之后采用水热的方法，再通过冷冻干燥或超临界干 燥等方法得到石墨烯气凝胶，采用上述方法得到的石墨烯气凝胶比表面积 为100-2500m²/g，密度为1-1000mg/cm³，由于比表面积、密度等变化范围 较大，使其性能并不稳定，例如该石墨烯气凝胶材料作为电极应用时，其 比容量在120-780F/g之间浮动。

发明内容

为解决现有技术中采用水热法制备得到的石墨烯气凝胶结构差异较 大、物理指标不稳定，造成以其作为电极材料应用时性能不稳定的问题， 进而提供一种结构稳定，均一性好的石墨烯气凝胶的制备方法。

为此，本发明采取的技术方案为，

一种石墨烯气凝胶的制备方法，包括，

(1)配制含有氧化石墨烯的聚乙烯醇水溶液，得到浓度为1-10mg/cm³的氧化石墨烯分散液；

(2)将所述氧化石墨烯分散液，在不高于零下196℃的条件下进行冷 冻，得到冷冻样品；

(3)将所述冷冻样品进行冷冻干燥，得到冷冻干燥样品；

(4)在氩气与氢气的混合气体环境中，将所述冷冻干燥样品进行高温 还原得到所需的石墨烯气凝胶；

在所述步骤(4)中，所述高温还原为在350-450℃下灼烧2-3h后， 900-1100℃下再灼烧2-3h。

上述石墨烯气凝胶的制备方法中，将所述氧化石墨烯分散液进行液氮 冷冻，得到所述冷冻样品。

上述石墨烯气凝胶的制备方法中，将聚乙烯醇溶解在蒸馏水中超声分 散制得聚乙烯醇水溶液，再将固体氧化石墨烯超声分散在所述聚乙烯醇水 溶液，得到浓度为1-10mg/cm³的所述氧化石墨烯分散液。

上述石墨烯气凝胶的制备方法中，在所述步骤(4)中，所述冷冻干燥 样品进行高温还原后自然冷却。

上述石墨烯气凝胶的制备方法中，在所述步骤(4)中所述混合气体中， 氢气的体积占混合气体总体积的5％。