[发明专利]高导热石墨烯复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高导热石墨烯复合膜及其制备方法、电极和超级电容器。本发明高导热石墨烯复合膜包括石墨烯和结合在所述石墨烯表面的M_xO_y氧化物颗粒。本发明高导热石墨烯复合膜结构稳定，导电和导热性能优异，循环性能和倍率性能高。本发明制备方法流程简单，易于操作，成本低，产率高，反应条件温和，能耗低，适用于工业化大规模生产。本发明电极和超级电容器在充放电过程中结构稳定，内阻低，导电性能、导热性能和循环性能以及倍率性能优异。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，特别涉及一种高导热石墨烯复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器(或电化学电容器)是一种介于传统电容器和二次电池的新型储能装置，具有功率密度高，充放电速度快，循环寿命长，维护成本低等优点。超级电容器具有比传统介电电容器更大的能量密度和比电池更高的功率密度，在应急电源、混合动力、数码产品、电子通讯等领域有广阔的应用前景。与传统的电容器相比，超级电容器的电容值要远远高于传统电容器的电容值，所以称之为超级电容器。超级电容器采用表面储能技术，依靠材料表面与电解液间形成的双电层来实现电能的直接存储，可在较短充放电周期内提供高功率和大电流密度。根据储能机制的不同可以分为双电层电容和赝电容。超级电容器是由电极、电解液和隔膜组成。除了电极对超级电容器的性能起决定作用之外，隔膜、集流体和电解液等组成部分也会影响其整体性能，所以在设计电容器时都需予以考虑。

电极材料是限制超级电容器发展的关键因素之一，近年来科研人员发展了一些高性能的电极材料，NiCo₂O₄、MnCo₂O₄等双金属氧化物，但是这些电极材料都面临一个严重的问题就是在循环过程中由于活性物质的巨大体积膨胀和团聚导致活性材料从极片上破碎或粉化产生脱落，进而影响超级电容器的循环寿命以及安全性能。

为了解决超级电容器的电极材料在充放电过程中存在的粉化问题并进一步提高电极材料的结构稳定性，科研工作者提出采用特殊的设计的纳米结构来解决这些问题，如空心的纳米结构可以缓冲体积膨胀的问题、碳包覆技术来限制材料的体积膨胀同时提高活性材料的导电性，然而这些方法也都有其相应的负面影响，空心结构降低了材料的质量密度，包覆结构会阻碍电子和离子的传输与传导等等。

超级电容器电极的传统制作方法是将电极材料粉末与导电剂(炭黑、乙炔黑)、粘结剂(聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯)和溶剂混匀后调成糊状，涂覆于集流体上，干燥后压片。传统的电极制作过程繁琐费时，且导电剂和粘结剂的加入增加了整个器件的质量，粘结剂的引入可能堵塞电极材料的孔隙，降低材料的利用率以及增加电极的内阻。另外，粘结剂大部分为高分子有机物，导热系数都很低，这样非常不利于电极材料的散热性能。

超级电容器在充放电过程中也会产生大量的热量，如果这些热量不能及时的散发出去势必会影响其性能。超级电容器传统的散热方法一般都是在电池外围加入一些散热器等器件或者是减小电极的面积等方法，但这些方法都不能及时有效的将热量散出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高导热石墨烯复合膜及其制备方法，以解决现有电极材料结构不稳定，导热性能不理想的技术问题。

发明的另一目的在于提供电极和超级电容器，以解决现有电极结构稳定性差，内阻大，导热性差从而影响超级电容器电学性能的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明一方面，提供了一种高导热石墨烯复合膜。所述高导热石墨烯复合膜包括石墨烯和在所述石墨烯表面结合的M_xO_y氧化物颗粒；其中，M为过渡金属元素。

本发明另一方面，提供了一种高导热石墨烯复合膜的制备方法。所述制备方法包括如下步骤：