[发明专利]一种三明治结构复合氧化石墨烯纸电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合电极材料制备领域，具体涉及一种三明治结构复合氧化石墨烯纸电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器是一种新型的电化学储能元件，因比锂电池具有更高的功率密度和循环寿命而受到广泛的关注。而构造电化学电容器最重要的任务就是探索具有高能量密度和高电流密度的电极材料。混合电容电容器因集合了双电层电容器和赝电容电容器的优点，具有更高的能量密度、更高的比电容、更宽的工作电势窗口，所以比其他两种电容器具有更广阔的应用前景。

目前已报道的电极材料大部分是粉末状的复合物，在制备电极的过程中需要加入粘结剂(聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯等)和导电剂，然后和复合材料一起研磨，再涂覆于集流体上形成超级电容器的工作电极。然而，这种电极由于粘结剂和导电剂的加入使得活性物质在电极中的比例下降，并且由于粘结剂的不导电性，能够阻断电荷的传输及电解液向电极材料、电极表面的扩散，这样不仅降低了活性物质的利用率而且还增加了电极的电阻。因此，制备出具有自支撑能力和良好导电性的石墨烯纸电容材料是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于：采用简便的方法制备出一种三明治结构复合氧化石墨烯纸电极材料，通过简单的机械混合使石墨烯与金属氧化物复合，从而得到更好的电性能；并且本发明还提供了此材料在超级电容器中的应用。

本发明采用的技术方案为一步法制备具有较好电性能的三明治结构复合氧化石墨烯纸电极材料，主要包括以下步骤：

(1)将氧化石墨分散至溶剂中超声1-2h，得氧化石墨烯均相溶液；

其中，石墨烯溶液的浓度范围为0.25-3.50mg/ml，其氧含量范围为15-65％；

(2)将金属盐分散至步骤(1)的均相溶液中，搅拌1h，得金属盐-氧化石墨烯均相溶液；

其中，金属盐为Ni、Fe、Mn、Co等常见过渡金属的水溶性盐(如氯化物、硝酸盐、硫酸盐或乙酸盐等)，金属盐与石墨烯的质量比为0.05：1-0.35：1；

(3)将步骤(2)中的均相溶液调节pH至7-10，调节后在80-150℃下反应8-12h，得反应溶液；

(4)将步骤(3)中的反应溶液通过微孔滤膜过滤进行层层自组装，经去离子水、乙醇各洗涤3次后低温烘干，形成三明治结构复合氧化石墨烯纸电极材料；

(5)将步骤(4)中得到的电极材料于100-250℃进行煅烧0.5-2h，煅烧后再将其浸泡于3M KOH电解液中6-20h。

本发明的有益效果在于：将氧化石墨烯与金属盐混合均匀，通过调节pH和加热反应，将金属盐变为了金属氧化物，且氧化石墨烯和金属氧化物之间产生化学键结合，使金属氧化物纳米粒子均匀负载在氧化石墨烯片层上，再通过微孔滤膜过滤进行层层自组装后形成三明治结构复合氧化石墨烯纸电极材料，为了提高该电极材料的电化学性能，将其进行煅烧并浸泡于电解液中(见附图1)。复合材料中的氧化石墨烯不仅提供了导电支架以促进电子转移，还作为机械结构以维持在电化学过程中电极的完整性；而负载有金属氧化物的氧化石墨烯片层之间在进行自组装时，由于金属氧化物能够起到良好的支撑作用，在通过静态压力自组装时不会发生堆叠，在电化学测试的过程中有利于电子在层间的传输，且由于氧化石墨烯和金属氧化物之间存在化学键的结合，在电化学测试中具有良好的循环稳定性，从而获得更为优异的电化学性能。此外，煅烧后电极材料在电解液中的浸泡使电解液与复合材料接触完全，电解液浸泡后会增加其柔韧度，这既利于电化学测试过程中电子的传输、循环稳定性的提高，也使得经高温煅烧后的三明治结构复合石墨烯纸在测试和使用过程中不易折断，有利于该材料的比电容和循环稳定性的提高。

金属纳米粒子均匀负载在氧化石墨烯片层上，进行自组装后得到三明治结构的复合氧化石墨烯纸，作为超级电容器电极材料时不需要加入粘结剂和导电剂。本发明方法，在制备过程中原料金属盐价廉易得，工艺操作简便，节约了生产成本。

附图说明

图1为实施例1所制得的三明治结构复合氧化石墨烯纸电极材料的工艺流程框图。

图2为实施例1所制得的金属纳米粒子均匀负载在氧化石墨烯片层上的TEM图。

图3为煅烧后经过浸泡和没有经过浸泡的三明治结构复合氧化石墨烯纸电极材料对比图，其中，A为没有经过浸泡的纸电极材料，B为经过浸泡的纸电极材料。从图中可见，没有经过浸泡的纸电极材料很容易断裂，浸泡能明显改善纸电极材料的柔韧性。

具体实施方式

实施例1