[发明专利]一种超级电容器用富含微纳孔超结构多孔石墨烯的制备方法及产品

说明书

技术领域

本发明属于能源材料石墨烯制备技术领域，具体涉及一种超级电容器用富含微纳孔超结构多孔石墨烯的制备方法。

背景技术

伴随石油、天然气和煤等传统化石能源的不断消耗殆尽，世界经济发展受其影响越来越深远。我国属于石油资源相对匮乏国家，国家经济和能源安全受制于国际原油价格。为摆脱对国外能源资源的依赖，开发对国家经济的可持续发展有着重要的作用的清洁能源，具有至关重要的作用。在民众步入小康社会和现代化的进程中，越来越多的移动设备和能量存储装置进入到人们的生活中。但是电能的快速释放却面临巨大挑战，如铅酸蓄电池即使在最好的状态下也不能以10C的高倍率电流重复放电，锂电池在10C高倍率下重复放电寿命相对lC的中低倍率放电显得非常短。燃料电池更是受制于装置缺陷，大电流放电存在安全隐患。而超级电容器的成功开发和利用，满足了大功率大放电电流的应用需求。

超级电容器(supercapacitor)，又叫双电层电容器、电化学电容器，由集流体(currentcollector)负载电极活性材料构成的电极(Electrode)，电解液(Electrolyte)，隔膜(Separator)组成。超级电容器主要在电极与电解质界面形成异性电荷对峙的双电层进行能量储存，其功率密度和能量密度介于二次电池与传统物理电容器之间。由于超级电容器在充放电过程中不发生电化学反应，循环寿命可达十万次，并且在大电流充放下性能优良。超级电容器具有较小的内阻，并能够实现高倍率的充放，已经成为一种理想的新型能量储存器件，应用到电动车，手机电池等动力产品领域。目前超级电容器的电极材料主要为比表面较大，较好的电解液浸润性，良好导电性以及较低内阻的碳基材料。现在使用的碳基材料有活性炭，活性炭纤维，炭气凝胶以及碳纳米管等，但上述的碳基材料由于达到的比容量不理想，或制备生产过程程序复杂，成本高，而限制了其在超级电容器中的应用。

石墨烯是一种以六个碳原子组成环、以二维结构堆叠而成的材料，其具有较高的理论比表面积，约2630m²/g，较高的电子迁移率及电化学稳定性。因此石墨烯在超级电容器上具有极大的应用潜力。现有一种自上而下制备石墨烯的方法，以物理剥离法为主，但产率低、比表面积不高；另一种自下而上制备石墨烯的方法，以化学气相沉积法和外延生长法生产单层或者少数层的石墨烯，然而，层状石墨烯因为层与层π-π共轭作用而极易堆积，导致离子无法穿插而极大降低了石墨烯的比电容，通常是120F/g，远远小于理论电容量550F/g。这导致石墨烯的比表面积无法充分利用。不少文献报道，利用引入的原位模板做间隔，比如纳米SiO₂颗粒、MgO纳米颗粒、有机分子、碳纳米管等，郭春显教授利用葡萄糖和GO水热得到纳米炭球与rGO的复合材料，极大提高碳材料的的比电容和比功率。然而，这些工作紧紧是专注于构建不同石墨烯超维堆叠结构，层内与层之间依旧被石墨烯片隔开，无法构筑更多的互联互通孔道，比电容很难达到理论容量的一半。还由报道有报道在此基础上添加ZnCl₂，KOH等活化剂后处理，使石墨烯单层内被氧化成孔，这增加了制作步骤。

针对这一状况，采用碱土金属羧酸盐Mg(CH₃COO)₂·4H₂O与GO自组装，经退火处理，原位生MgO纳米颗粒作石墨烯层间隔，利用结晶水和羧基分解来的CO₂原位氧化Mg(CH₃COO)₂·4H₂O附近石墨烯层内碳原子，构筑大量微孔，从而提高石墨烯比电容，达到220F/g。BET孔径分布分析表面，该方法实现了原位石墨烯结构的功能化。侧壁上的石墨烯平面内，均匀弥散有丰富的微孔。专利104192834A公开了一种以高分子为原料与氧化石墨混合，再额外添加活化剂(如氢氧化钾、氯化锌等)条件下制备高比电容量超级电容器用石墨烯及其复合物的方法。但是其所用的原材料涉及有机物、反应条件及成本不易控制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超级电容器用富含微纳孔超结构多孔石墨烯的制备方法，该方法通过自主装方式，以碱土金属羧酸盐原位形成热分解产物碱土金属氧化物模板，原位分解产生的二氧化碳和水为氧化剂，氧化碱土金属羧酸盐周围的碳原子而在石墨烯单层平面上成孔。

为达到上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

1、一种超级电容器用富含微纳孔超结构多孔石墨烯的制备方法，具体步骤如下：