[发明专利]一种具有柔性自支撑结构的电极及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有柔性自支撑结构的电极及其制备方法，属于电化学储能技术领域，将金属基底浸泡在氧化石墨烯溶液中，蒸发处理，从而在基底上形成一层氧化石墨烯薄膜，接着用抗坏血酸还原处理，从而制得下层的还原氧化石墨烯薄膜；将过渡金属盐、铜盐、表面活性剂的混合水溶液旋涂在钛片基底上，且置于火焰中合成，从而制得中间的纳米碳薄膜；采用与下层还原氧化石墨烯薄膜相同的制备方法，制备上层的还原氧化石墨烯薄膜；将基底干燥，将制得的薄膜从基底上剥落，从而制得柔性、无金属基底的自支撑结构电极。这种电极结构独特，制备方法简单且成本低廉，用于超级电容器电极时，具有高面积比电容与优异的循环稳定性，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种电极，具体涉及一种具有柔性自支撑结构的电极及其制备方法与应用，属于电化学储能技术领域。

背景技术

随着社会的快速发展，人们对电能的需求越来越大。目前常见的电能存储器件主要为蓄电池和电容器，而超级电容器是一种同时具有这两种器件优点的新型储电器件，其同时具有高的能量密度与功率密度，从而具有充放电速度快、循环寿命长和环境友好等优点。柔性、轻便、高能量密度的超级电容器具有便携实用的特点，现已成为超级电容器的主要研究方向之一。超级电容器的电极是整体器件的关键元件，电极一般由导电衬底和活性材料构成，电极的导电衬底一般由铝片、铜片等金属片构成，占整体器件的很大重量。为减小器件重量，提高器件便携性，可去除导电衬底，直接由活性层导电，即自支撑结构电极。

目前，自支撑结构电极的制备中，一般会添加聚合物或其他粘合剂，工艺较为复杂；并且，一般会进行高温高压操作，成本较高；且制得的电极应用于超级电容器时，性能有待提高。石墨烯具有比表面积大、质量轻、高导电性、高机械强度等优点，可应用于超级电容器的柔性自支撑结构电极。

中国专利“一种柔性自支撑纸状石墨烯膜及其复合膜的制备方法”(申请号：201310185640.X)公开了一种柔性自支撑纸状石墨烯膜及其复合膜的制备方法：按照改进的Hummers法，以石墨为原料，制备浓度为0.5～12.0mg/mL的氧化石墨烯(GO)水溶液；将GO水溶液或GO和功能化处理的碳纳米管混合水溶液注入0.2～11.0mg/mL的羟胺乙醇溶液或盐酸羟胺乙醇溶液的底部，静置凝固；低温加热，蒸发乙醇溶剂，得到氮掺杂的柔性自支撑纸状石墨烯膜及其复合膜。这种方法尽管简单，但性能不高。

Nguyen Van Chuc(Journal of Materials Science&Technology 31(2015)479–483)等人提出采用化学气相沉积法制备石墨烯-碳纳米管杂化薄膜，这种方法成本较高，工艺复杂；Li Wei等人(Journal of Solid State Chemistry 224(2015)45–51)提出了一种在高温环境下制备石墨烯纸的方法，其工艺复杂，成本较高。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种具有柔性自支撑结构的电极及其制备方法与应用，制得的电极内阻低、面积比电容高。

为了实现上述目的，本发明提出一种具有柔性自支撑结构的电极，该电极具有三明治结构，包括第一RGO薄膜层、纳米碳层和第二RGO薄膜层，所述纳米碳层设置在第一、第二RGO薄膜层之间，所述RGO薄膜层即还原氧化石墨烯薄膜层。

另外，本发明还提供了一种上述具有柔性自支撑结构电极的制备方法，具体包括以下步骤：

1)清洗金属基底；

2)对清洗后金属基底作亲水处理，平放在烧杯底部，向烧杯内加入GO水溶液，加热蒸发，至金属基底表面沉积一层GO薄膜；

3)再向烧杯中加入GO的还原溶液，使溶液蒸发，在基底上制得一层RGO薄膜；

4)对金属基底作亲水处理，同时配制过渡金属盐、表面活性剂和铜盐的混合溶液，且将该溶液旋涂于金属基底上，将金属基底置于酒精灯火焰中，燃烧2-10min，制备纳米碳层；