[发明专利]一种石墨烯-活性炭复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域：本发明涉及一种石墨烯-活性炭复合电极材料的制备方法，是利用废弃木材经炭化与Hummers法制备的氧化石墨烯经高温活化复合制备石墨烯-活性炭复合材料用于新型储能元件-超级电容器的电极材料，它属于林产生物质资源化学加工的技术领域。本发明不仅利用了活性炭成本低、易加工的优点，而且用石墨烯提高了活性炭的电导率、同时解决了石墨烯团聚的问题，总体上提升了复合材料的比表面积和电导率，有效制备出高电化学性能的超级电容器点击复合材料，为活性炭和石墨烯在电极材料的实际应用上奠定基础。

技术背景：超级电容器(supercapacitor)，又名电化学电容器(electrochemicalcapacitor)，是一种主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能的新型储能装置。其作为一种大功率的储能器件，填补了电池和常规电容器(在能量密度和功率密度方面)之间的空白，其电容值可达到法拉级。2007年，美国权威杂志将超级电容器列为2006年世界十大科技发现之一，认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展，2013年国内超级电容器的市场规模在31亿元人民币左右，比上一年增加37.32％，2012-2015年年均增速为47.82％，到2015年，国内超级电容器市场有望达到73亿元，市场前景广阔。超级电容器具有原理与结构简单、安全可靠、适用范围广、功率密度大、充放电速度快、循环寿命长等特点，而电极材料是超级电容器性能好坏的决定性因素，直接关系到其比电容量、能量密度、功率密度等性能参数，与其他储能装置如电池相比，比较突出的缺点是能量密度低，除此之外，为了使超级电容器走向市场，并得到大规模的普及和应用，需降低超级电容器生产成本，这些都对超级电容器所用电极材料提出了较高的要求，成为超级电容器研究的主要问题。

与此同时，来源丰富，具有发达孔隙结构的活性炭、碳纳米管等碳材料因价格低廉、比表面积较大、形态多样(粉末、纤维、管状、片状、块状、气凝胶、复合物等)、容易加工、电化学性质稳定是目前唯一商业化的双电层电容器电极材料。石墨烯是一种二维结构的碳材料，其具有理想的单原子层厚度，理论比表面积高达2630m²g^-1，且导电性和化学稳定性良好，被认为是理想的双电层电容器电极材料。例如，公开号为CN104916446A、公开日为2015年9月16目的发明专利申请中公开了一种“用于超级电容器的活性石墨烯电极材料及其制备方法”，该方法是在保护性气氛中将与活化剂混合的氧化石墨烯在一定温度范围内进行还原与活化，经洗涤、过滤、干燥得到活性石墨烯，作为超级电容器电极材料经电化学分析测试，在0.05A/g电流密度下的比电容达到193F/g。

然而，目前应用于超级电容器的活性炭虽然比表面积大，但其电导率却随其比表面积的的增加而降低，从而极大影响了双电层电容的充放电性能。石墨烯片层间存在强的范德华力，它们易于团聚，甚至重新回到石墨状态，这必将带来石墨烯材料的比表面和导电性大幅度降低，导致石墨烯超级电容比电容迅速减少，这严重地制约了石墨烯在超级电容器中的广泛应用。此外，石墨烯制备工艺不够成熟，成本太高，阻碍了其工业化应用。因此，构建一种活性炭/石墨烯复合材料且有效实现二者协同作用具有重大的实用价值。

发明内容：本发明的目的，一方面是为了降低超级电容器电极材料的成本，为实现超级电容器工业化奠定基础；另一方面不仅能够通过石墨烯改善活性炭电导率较低的问题，还有效解决了石墨烯团聚严重的问题。该方法有效制备出一种结构稳定、比表面积优异、电导率高、比电容较大的高性能复合电极材料。

本发明的基本内容包括以下几个方面：

1.以废弃木材为原料，在炭化炉中炭化(以10℃/min的升温速率从室温升温至500℃，保温1小时)，经冷却后取出炭化产物，进行粉碎处理，过35-65目的筛子；

2.以天然石墨为原料，采用改良的Hummers法制备出氧化石墨烯，在含有0.5g氧化石墨烯的水溶液中加入2.5g上述废弃木材炭化物和12g氢氧化钾，充分搅拌混匀，室温下静置24h；

3.上述混合液静置完毕后在60℃的电热板上将其中的水分蒸干，在活化炉中氮气保护的氛围中以10℃/min的升温速率升温至800℃，保温1h，制得石墨烯-活性炭复合材料粗样；

4.上述所得粗样用蒸馏水洗至中性，并于100±2℃下真空干燥，得到石墨烯-活性炭复合材料(性能表征为：比表面积：2998m²/g；碘值：3270mg/g)；

5.石墨烯-活性炭复合材料氧、氮共负载活性炭经玛瑙研钵磨细至粒径小于30μm的粉末，按质量比87∶10∶3称取上述活性炭、乙炔黑和PTFE(60％乳液)，加入适量无水乙醇充分混合调浆，烘至合适粘稠度压制并冲成直径为1cm的圆片，在手动油压机上以10MPa压力压覆于等大的集流体泡沫镍上，制成电极并真空烘干待用。取质量接近的两片电极，以碱性电池尼龙膜作隔膜，注入7mol/L的KOH溶液作电解液，组装成C/C对称双电层模拟电容器，进行电化学性能测试制备的活性炭电极显示出良好的电化学电容行为。(电化学测试结果：比电容量：221F/g；充放电效率97.2％；5A下的比电容的保持率：90.0％，具体为199F/g，明显高于单独活性炭电极电容器170F/g左右，以及单独石墨烯电极电容器190F/g左右。)