[发明专利]石墨烯基复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料及其制备的技术领域，具体的说，是涉及一种高体积比容量的石墨烯基复合电极材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯因具有比表面积大、电子导电性高、力学性能好的特点而成为理想的电容材料，但石墨烯的理论容量不高，在石墨烯基电极制备过程中容易发生堆叠现象，导致材料比表面积和离子电导率下降。目前，石墨烯基电极制备主要通过对石墨烯进行修饰或与导电聚合物材料形成石墨烯复合电极材料，从而提高电容容量。

然而，由于石墨烯和导电聚合物材料的密度相对都比较低，使得二者形成的复合材料的密度也比较低，导致复合材料的质量比容量和体积比容量都比较低。此外，现有文献上也有报道一些金属氧化物基复合材料以及一些二维层状薄膜材料具有很高的体积比容量。例如Ti₃C₂和MoS₂片层的体积比容量可以达到900F/cm³和700F/cm³，这主要归因于它们的密度比较高,然它们的质量比容量却相对较低分别为245F/g和280F/g，且这些金属氧化物基复合材料的电极如果做厚，其离子和/或电子将不能有效传输；而二维层状薄膜电极材料因为没有有效的离子传输通道，使得这些二维层状材料的电极厚度不能做厚。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种高体积比容量的石墨烯基复合电极材料及其制备方法。

一种石墨烯基复合电极材料，其包括石墨烯基体和聚合物组分。所述石墨烯基体是由石墨烯衍生物的片层结构自组装搭接形成三维的多孔结构，孔隙率为10%~95%。所述聚合物组分填充于所述石墨烯基体的多孔结构中，并与所述石墨烯基体原位聚合。

一种石墨烯基复合电极材料的制备方法，其包括如下步骤：

将石墨烯衍生物溶液进行水热处理，得到具有三维的多孔结构的石墨烯基体；

将上述反应制得的石墨烯基体浸泡在溶有聚合物组分的溶液中，使得所述石墨烯基体的片层表面吸附所述聚合物组分；随后加入氧化剂，使得所述聚合物组分与所述石墨烯基体之间发生原位聚合反应，得到石墨烯复合材料；

将上述反应制得的石墨烯复合材料与还原剂进行还原反应，反应完成后加入去离子水清洗，并经过真空干燥处理，得到石墨烯复合电极材料。

相较现有技术，上述石墨烯基复合电极材料的制备，把具有三维的多孔结构的石墨烯基体与聚合物组分进行原位聚合反应，得到石墨烯基复合材料，其中该石墨烯基体是由石墨烯衍生物进行水热处理制得，在水热处理处理过程中该石墨烯衍生物的片层结构会自组装搭接成三维的多孔的网络结构，从而实现了两种低密度材料的紧密组装。进一步地，上述石墨烯基复合材料经真空干燥而发生体积收缩，从而形成高密度的石墨烯基复合电极材料。本发明制作的石墨烯基复合电极材料在高体积比容量和高质量比容量的超级电容器中有着重要的应用，其不仅能够提供良好的电子传递网络和离子传输通道，还能使得电极极片的厚度得以增加。

附图说明

图1为实施例1制备的石墨烯复合材料烘干前的实物图。

图2为实施例1制备的石墨烯复合材料烘干前的扫描图。

图3为实施例1制备的石墨烯复合材料烘干后的实物图。

图4为实施例1制备的石墨烯复合材料烘干后的扫描图。

具体实施方式

本发明的石墨烯复合电极材料，其含有石墨烯复合材料和辅助成分。该石墨烯复合材料包括石墨烯基体和聚合物组分。所述石墨烯基体具有三维多孔结构，该石墨烯基体是由石墨烯衍生物的片层结构自组装搭接而成，孔隙率为10%~95%。所述聚合物组分用于填充所述石墨烯基体的孔结构，其通过原位聚合法与所述石墨烯基体聚合成石墨烯复合材料。

可以理解的，为了让所述聚合物组分与所述石墨烯基体更充分的搭接交联，该石墨烯衍生物优选具有含氧功能团的功能化石墨烯。该石墨烯衍生物选自氧化石墨烯、改性石墨烯中的至少一种。所述石墨烯衍生物的片层数为1~1000，平面尺寸半径为1nm~1cm。

在本发明的实施例中，该石墨烯衍生物优选氧化石墨烯。

所述聚合物组分为聚合物单体或/和聚合物。所述聚合物单体选自噻吩、吡咯、苯胺中的至少一种。所述聚合物选自聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺中的至少一种。

在本发明的实施例中，所述聚合物组分为薄膜状结构，所述聚合物组分能够沿着所述石墨烯衍生物的片层表面生长，而所述石墨烯基体与所述聚合物组分之间通过化学键连接。