[发明专利]一种高密度高电化学比容石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高密度高电化学比容石墨烯及其制备方法和应用。将低密度石墨烯置于离子液体中，于100‑450℃热处理1 h以上，然后进行固液分离，冷却后用去离子水洗涤产物至中性，最后置于鼓风干燥箱中干燥，即得到高密度高电化学比容石墨烯；所述的离子液体为无机酸、无机碱、无机盐、有机盐中的一种或几种的液体。本发明在石墨烯致密化的过程中，对石墨烯进行了异原子参杂，同时在石墨烯平面上造孔，所制备石墨烯的密度可达1 g/cm³以上，比表面积可达300 m²/g以上，在电化学储能领域应用中可以同时表现出高质量比容量和高体积比容量。

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，涉及一种高密度高电化学比容石墨烯及其制备方法和应用，具体涉及一种离子液体热处理低密度石墨烯制备高密度高电化学比容石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯在超级电容器、锂离子电池等储能领域具有非常广阔的应用前景。目前最具规模化生产石墨烯前景的技术是化学氧化还原的方法，所制备的石墨烯表现出很高的质量比容量及储锂活性，但缺乏实用价值，主要原因是这些石墨烯材料很难同时满足高密度和高质量比容量这两个关键指标。首先，要实现石墨烯的高质量比容量，石墨烯应尽量以单层形式存在并暴露其表面，但这种石墨烯的压实密度过低(0.3-0.7g/cm³)，导致其体积比容量偏低。而且，这种低密度石墨烯所谓的高质量比容量在实际超级电容或者电池装置中并不能实现，主要是由于其电极孔隙率过高，因此吸纳的电解液过多，其质量甚至超过石墨烯本身。而实际装置质量比容量评估中必然要计算这部分电解液质量，因而这种低密度石墨烯在体积比容量低的情况下，其实际质量比容量也必然较低。其次，由于石墨烯本身表面能过高，层与层之间的范德华力使其易于团聚，这似乎有利于石墨烯密度的增加，但是这种团聚往往导致石墨烯重新回到石墨状态，因此石墨烯的优势也将迅速消失，表现出较低的质量比容量。因此，要推动石墨烯在电化学能源方面的应用，必须要发展一种既能提高石墨烯密度、又不损失其质量比容量的高密度石墨烯制备方法。

目前学术界有三种思路来进一步提高石墨烯的比电容。一种是通过将石墨烯进一步多孔化以提高其暴露的比表面积。比如通过KOH高温(大于700℃)活化(Science 2011,332(6037):1537-1541)，或者采用强氧化剂刻蚀(Nat.commun.2014,5:4554)、催化氧化(Energy Environ.Sci.2016,9(4):1270-1281)等。这类方法虽然在一定程度上提高了石墨烯的质量比容量，但石墨烯损失严重，导致产物密度更低，因而对石墨烯体积比容量的提升非常有限。第二种是通过对石墨烯进行N、P、B、S等参杂来提高石墨烯材料的质量比容量，但所制备参杂石墨烯的密度往往也较低。第三种是通过在石墨烯层间加入一些挥发性与非挥发性的混合液体，通过抽滤使挥发性液体挥发达到毛细管压缩石墨烯的目的，而非挥发性的液体可阻止石墨烯堆叠回石墨结构，从而可制备高密度石墨烯膜，也表现出较高的体积比容量(Science 2013,341(6145):534-537)。但其质量比容量有限，而且所制备的含有难挥发性液体的石墨烯膜难以适用于现有超级电容和电池制备的活性材料粉末涂膜工艺。可见，现有技术还难以制备密度高、电化学容量高的石墨烯粉体材料。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种利用离子液体热处理低密度石墨烯制备高密度、高电化学比容的石墨烯粉体材料的方法。该方法具有操作简单、高效、绿色无污染等优点，尤其适合大规模工业化生产，具有广泛的工业应用前景。

本发明所提供的技术方案具体如下：

一种制备高密度高电化学比容石墨烯的方法，包括以下步骤：将低密度石墨烯置于离子液体中，于100-450℃热处理1h以上，然后进行固液分离，冷却后用去离子水洗涤产物至中性，最后置于鼓风干燥箱中干燥，即得到高密度高电化学比容石墨烯；

所述的离子液体为无机酸、无机碱、无机盐、有机盐中的一种或几种的液体。