[发明专利]基于石墨烯泡沫或类石墨烯泡沫的分层复合材料结构

说明书

本发明涉及包括开孔石墨烯泡沫或类石墨烯泡沫的分层复合材料结构，其中石墨烯泡沫或类石墨烯泡沫被涂布有导电纳米多孔海绵结构，并且其中石墨烯泡沫或类石墨烯泡沫的至少10％v/v的孔的中空被填充有导电纳米多孔海绵结构。本发明还涉及用于制备分层复合材料结构的方法，其中导电纳米多孔海绵结构被电沉积以便涂布开孔石墨烯泡沫或类石墨烯泡沫和部分地填充石墨烯泡沫或类石墨烯泡沫的孔的中空。

技术领域

本发明涉及基于用导电纳米多孔海绵结构涂布的开孔石墨烯泡沫或类石墨烯泡沫的分层复合材料结构，其中导电纳米多孔海绵结构以至少部分地填充石墨烯泡沫或类石墨烯泡沫的孔的中空空间的非共形方式涂布开孔石墨烯泡沫或类石墨烯泡沫。本发明的分层复合材料结构可用作电极并且用在电化学能量存储器件中。

背景技术

能量存储器件越来越多地出现在许多大众消费品比如混合动力车辆和电动车辆或便携式电子设备中，并且快速地进入其它领域比如能量采集和电网。大电容和快速充电速度是所有这些应用的关键方面。而且，下一代柔性电子设备和可穿戴设备的开发需要柔性电源。然而，由于缺少结合优异的电子和离子导电性、稳健的机械挠性和卓越的循环稳定性的可靠材料，这种能量存储器件的制造仍然是大的挑战。

电化学电容器(EC)，也称为超级电容器(supercapacitor)，是具有高功率密度、展现卓越的可逆性，并且具有非常长的循环寿命的电荷存储器件。基于电荷存储机制，可以被分类为两种主要类型的EC：(i)双电层电容器(EDLC)，其通过利用由电极–电解质界面处的电荷分离产生的双层电容存储能量——主要关注碳材料，(ii)赝电容器(pseudocapacitor)，其通过利用赝电容存储能量，赝电容由电化学活性材料形成的电极表面中的快速的和可逆的法拉第反应产生。与EDLC相比，基于过渡金属氧化物或导电聚合物的赝电容器可提供高得多的比电容。然而，它们的实际应用仍被高成本、低操作电压或差的倍率性能所限制，主要是因为效率低的质量输送或缓慢的法拉第氧化还原动力学。在氧化物的情况下，随着厚度增加的高电阻可限制电极的实际厚度，减少电荷输送。该限制不适用于展现小的内阻的导电聚合物，尽管它们可以呈现较低的循环稳定性。

待用作超级电容器电极的材料所需要的特征是强的电容特性、大的比表面积、亮度、高的导电性和电化学稳定性。具有从1000m²/g至2500m²/g的表面积的活性炭是最常用的材料。然而，因为它们扭曲的孔结构，在高的扫描速率下电容可以急剧下降。

在用于超级电容器的电极材料的研究中，对于石墨烯给出了特别的关联性，由于其高的导电性、大的表面积和丰富的隔层结构，理论上满足了高性能超级电容器的要求。各种基于石墨烯的材料——包括化学气相沉积(CVD)石墨烯和化学或热还原的氧化石墨烯(rGO)——作为超级电容器的电极已经被广泛地研究。若干作者(Wu等，ACS Nano 4(2010)1963；Zhang等，Chemistry of Materials 22(2010)1392；和Liu等，CN102532891A)公开了基于石墨烯粉末和导电聚合物的混合物的超级电容器电极材料，其中两种材料已经被分别加工并且混合在一起以形成多孔层结构。

近来石墨烯的非凡特性已经被采用至第三维。三维(3D)石墨烯结构的大的比表面积和导电稳健结构可帮助电荷转移，其允许电子电荷的温和(facile)流以及改善电极和电解质之间的界面特性。在3D石墨烯结构中，石墨烯泡沫对于提供能量存储器件的更好的电极材料是非常有希望的结构。若干作者已经报导了用赝电容材料的薄层共形地涂布的石墨烯泡沫，其中如果沉积的薄层具有一定的孔隙率，比表面积不改变或几乎不增加。例如，Yager(US2013/0021718A1)报导了多孔石墨烯电极材料，其中赝电容材料——比如RuO₂、Fe₃O₄或MnO₂——涂布3D开孔石墨烯结构。