[发明专利]一种碳碳复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料领域，特别涉及一种电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器，又称电化学电容器，是一种介于常规电容器与二次电池之间的新型储能器件。开发低成本、电化学储能性能良好、环境友好型的电极材料对于超级电容器的商品化具有重要意义。

碳材料由于其良好的导电性以及低成本性而成为电极材料的首选。由于石墨烯具有优异的电、热和机械性能以及巨大的比表面积(理论值为2675m²/g)，完全符合理想电极材料的要求。但作为粉体，石墨烯片层互相堆叠并团聚，因此石墨烯的有效比表面积一般只有200～500m²/g，与理论值差之甚远。为了解决这一问题，近来，研究人员通过石墨烯片之间引入其他碳质材料，如碳纳米管(CNT)或炭黑(CB)，构建具有类似三明治结构的碳碳复合材料，以防止石墨烯的堆叠团聚。

然而，石墨烯片之间引入的碳纳米管、炭黑等主要起隔离石墨烯片、防止其堆叠团聚的作用，而其本身并没有很好的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便易行，能防止石墨烯堆叠团聚又能提高其电化学性的碳碳复合电极材料及其制备方法。

本发明的碳碳复合电极材料是一种在石墨烯与碳化物衍生碳之间构成中孔结构的石墨烯与碳化物衍生碳的复合材料。

上述碳碳复合电极材料的制备方法：

采用公知的改进的Hummer法将粒径为2.6微米纯度为99％的石墨粉制备成氧化石墨(GO)，按每毫克GO加入0.5微升水合肼将所得GO用水合肼在80℃下还原2～6小时得到不同还原程度的石墨烯(RGO)。将粒径约为20nm的碳化钛(TiC)为反应前躯体，采用高温卤化法，在400℃～1000℃下与氯气反应1小时后获得碳化物衍生碳(CDC)。然后，分别将所制得的RGO、CDC配成2mg/mL的水溶液，再将配好的RGO溶液和CDC溶液分别在高功率(800W)超声震荡仪中超声处理2小时，最后，将RGO溶液与CDC溶液按1～9：9～1的体积比(因为二者浓度相同，体积比即为质量比)缓慢混合后再超声处理2小时使其复合均匀，再在室温下搅拌24小时，90℃烘干，即获得碳碳复合电极材料。

碳化物衍生碳(carbide-derived carbon，简称CDC)是近年来备受关注的一种新型碳材料。它是以碳化物的晶格为模板，通过由表及里的逐层蚀刻除掉金属原子，从分子水平上来控制碳材料制备的。CDC在形成过程中，碳化物中的金属原子通过与反应气体如氯原子结合形成金属氯化物(高温气态)而被去除掉，余下的碳原子之间相互成键从而形成新的“三维骨架状”的多孔碳结构，CDC的多孔结构特点已在超级电容器领域显示出巨大的应用潜力。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、制备方法对设备要求不高、成本低、无污染、并且可以大量生产。

2、石墨烯与CDC之间构建的中孔通道互通性更好。

3、碳碳复合材料具有明显的多级孔结构特征，有益于获得高的功率密度；处于石墨烯片之间的CDC中的孔隙主要是微孔，其有助于电极材料获得更高的比容量，在200mV/s扫速下仍保持良好的矩形和较大的比容量。

附图说明

图1是本发明实施例1获得的碳碳复合电极材料的宏观结构示意图。

图2是本发明实施例1获得的碳碳复合电极材料的透射电镜图。

图3是本发明实施例1获得的碳碳复合电极材料在6M KOH溶液中的循环伏安曲线图。

图4是石墨烯、CDC以及本发明实施例1获得的碳碳复合电极材料的循环伏安曲线对比图。

具体实施方式

实施例1：

取5g粒径为2.6微米的石墨粉(纯度99％)，采用公知的改进的Hummer法制备氧化石墨(GO)，用2.5mL水合肼还原4小时得到石墨烯(RGO)；取5g粒径约为20nm的碳化钛(TiC)作为反应前躯体，采用高温卤化法，在600℃下与氯气反应1小时后获得CDC。然后，分别取2g所制得的RGO、CDC，并分别配成2mg/mL的水溶液，并在高功率(800W)超声震荡仪中超声处理2小时。最后，将300mL RGO溶液与300mL CDC溶液缓慢混合后再超声处理2小时，并在室温下搅拌24小时，放在90℃烘箱中烘干，即获得本发明的碳碳复合电极材料。

如附图1所示，在石墨烯片之间引入CDC，构建出类似三明治结构的石墨烯/CDC碳碳复合材料。