[发明专利]一种超级电容器用石墨烯自组装电极材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器领域，具体涉及超级电容器的电极材料，进一步涉及超级电容器用石墨烯自组装电极材料及制备方法。

背景技术

超级电容器因其具有功率高、使用寿命长和充电速度快等优点，在动力汽车、移动通讯、太阳能、风力发电等领域大量应用。超级电容器的储能机理是在大比表面积的碳材料电极和电解质界面吸附相反电荷的正负离子，电荷储存在界面双电层中，通过电化学极化进行可逆吸/脱附从而储存和释放能量。因此，决定超级电容性能的因素主要有材料比表面积、电导率和孔隙率。如电极材料主要为多孔碳材料、碳纳米管、碳化物衍生等。但很少有碳电极材料同时具备高比表面积、高电导率和高孔隙率。

目前，碳材料系列超级电容器电极材料向高比表面积方向发展较为成熟。电极材料通过各种活化手段，使比表面积不断提高，但难以控制材料的微孔孔径>2nm。高比表面的碳材料虽然具有较大的比表面积，但由于微孔＜2nm，其实际利用率并不高，且电解质穿过的速度和量有限，难以满足超级电容器快速充电的要求。

由于石墨烯独特的二维结构和出色固有的物理化学特性，如化学稳定性、异常高的导电性和大的理论比表面积等成为是理想的超级电容器电极材料。然而，石墨烯强大的比表面积是源于石墨烯具有纳米级的层结构，特别是达到单层的石墨烯，其二维厚度约0.3nm，比表面积可达到2630 m²/g。但同时，为了增加电极材料与电解质的接触，通常需要电极材料具有电解质通过的大孔（大于100nm）和离子运动的微孔（2-5nm）。显然，石墨烯直接制成的电极材料由于缺少空隙导致其表面功能难以正常发挥。

为此，中国发明专利申请号201410478723.2公开一种超级电容器用活化石墨烯的制备方法，通过在石墨烯表面造孔，从而用于超级电容器；中国发明专利申请号201310286959.1公开了一种多孔石墨烯及其制备方法，通过对石墨烯酸侵蚀、煅烧造孔获得了中孔结构与大孔结构的多孔石墨烯用于电容器电极材料，使电容器具有较好的大倍率充放电性能。

显然，能够在石墨烯上通过酸侵蚀等造出孔径大于2nm的微孔，其石墨烯应该是层厚超过100层的石墨烯，而非单层石墨烯，甚至是石墨烯微片,或者是径向尺寸较大的完整层结构石墨烯。尽管，其已有足够大的比表面积，但能够造孔的石墨烯比表面积远低于2630 m²/g。因而，直接造孔石墨烯虽然获得了电解质和离子快速穿过的微孔，但同时损失了石墨烯的高比表面积，使石墨烯的潜力没有充分发挥。正是这一技术缺陷，现有石墨烯电容器的最终快速充放电性能较介孔碳材料并不显著。

发明内容

针对目前石墨烯用于超级电容器需要造孔损失比表面积的缺陷，本发明提供一种超级电容器用石墨烯自组装电极材料。其特征是由单层石墨烯或多层石墨烯通过二次自组装成的微孔石墨烯电极材料。在微观层面，石墨烯以单层或多层形式存在；在宏观层面，石墨烯自组装成微孔结构。确保了石墨烯巨大的比表面积以及电解液和离子快速通过的微孔。特别的，通过第一次自组装，石墨烯组装成具有2-5nm微孔的颗粒，进一步进行二次组装，由一次组装颗粒自组装形成50-100nm微孔的大颗粒。该大颗粒石墨烯自组装电极材料具有巨大的比表面积，物理化学性质稳定，可在高工作电压和大电流快速充放电，使石墨烯的性能得到充分的发挥，成为超级电容器的最佳电极材料。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超级电容器用石墨烯自组装电极材料，其特征是由单层石墨烯或多层石墨烯通过二次自组装形成的大颗粒；其中第一次组装形成孔径2-5nm、颗粒大小为0.1-2μm的小颗粒；第二次组装形成孔径50-100nm、颗粒大小为20-50μm的大颗粒；

进一步,提供一种超级电容器用石墨烯自组装电极材料的制备方法，具体制备步骤如下：

（1）将纯度＞98%的石墨粉与接枝剂预混均匀后在圆盘式超音速气流粉碎机中进行机械剥离，其中圆盘式超音速气流粉碎机底部设置循环气流剥离，在剥离过程中，接枝剂与石墨烯层边缘接枝形成活性点，上部采用流化床式卧式蜗轮强制分级，使达到10层以内的石墨烯及时分离回收；其中所述的接枝剂为甲基丙烯酸-β羟乙酯、马来酸酐、二丙烯酸锌中的一种；