[发明专利]一种石墨烯复合多孔炭材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电极材料领域，特别涉及一种石墨烯复合多孔炭材料及其制备方法和应用。一种石墨烯复合多孔炭材料的制备方法，包括以下步骤：含有水溶性官能团的石墨烯和热固性树脂混合，加入磷酸类固化剂，于70‑90℃下固化；固化树脂炭化，炭化物活化，经酸处理、水洗，烘干得到石墨烯复合多孔炭材料。本发明引入磷酸类固化剂实现酚醛树脂的低温固化，反应更加温和，减少能耗，操作更安全；同时磷酸类固化剂还可作为活化剂进行活化造孔，提高材料的比表面积；采用水蒸气进行活化，具有价格便宜绿色环保等优点，也可避免碱活化法给活性炭带来的金属杂质；制得的石墨烯复合多孔炭材料具有较好的导电性，克服了传统活性炭因导电性差带来的功率密度低、倍率性能差等缺点。

技术领域

本发明涉及电极材料领域，具体而言，涉及一种石墨烯复合多孔炭材料及其制备方法和应用。

背景技术

超级电容器是一种介于传统物理电容器和二次电池之间的一种新型储能装置，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等特性。电极材料作为超级电容器的核心，决定了超级电容器的整体性能。在众多的电极材料中，活性炭由于其发达的孔隙结构和稳定的理化性质而被成功应用到商业化产品中。

活性炭常以煤、沥青、果壳以及高分子聚合物等为前驱体，但煤基活性炭往往灰分较高，不适合作为电极材料，沥青基活性炭则存在制备工艺复杂的缺点。作为世界上最早人工合成的树脂，酚醛树脂不仅生产工艺成熟，价格低廉，而且具有炭化收率高、组分单一、杂质含量低以及易于活化和成孔等特点。因此，酚醛基活性炭作为电极材料具有广阔的应用前景。

超级电容器的能量主要储存在多孔炭电极的孔壁和液体电解质界面处电荷分离形成的双电层中。一般认为电极材料的有效比表面积越大，有效孔越多，比电容越大，因此，如何提高材料的比表面积和调控孔径结构是制备电极材料的关键。目前工业上一般采用碱活化和水蒸气活化的方式来制备活性炭。碱活化制备活性炭的工艺简单，制得的活性炭比表面积大，但产品中往往残留大量的活化剂，后期需要大量的水进行清洗，处理周期长，资源耗费多。同时，通过碱活化制备的多孔炭材料振实密度较低，一般在0.3g/cm³左右，不能满足高体积能量密度超级电容器的要求。除此之外，碱在高温下具有很强的腐蚀性，对设备会有很大的腐蚀性，大大减少了设备的使用寿命。水蒸气活化的效果不如碱活化，但水蒸气活化制得的产品较为纯净，不需要复杂的后期处理，材料的振实密度也较大，同时水蒸气活化安全环保，成本较低，更符合可持续发展的理念。因此，水蒸气活化法制备活性炭更符合企业长远发展的要求。

多孔炭由于具有非常丰富的孔隙结构，使得材料表面结构被破坏，往往存在导电性较差的问题，具有优异导电特性的石墨烯被认为是一种能够有效解决多孔炭导电性差问题的材料。但是石墨烯片层之间较强的范德华力使得石墨烯非常容易聚集，使得石墨烯的优势无法发挥出来。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种石墨烯复合多孔炭材料的制备方法，石墨烯能够提高材料的导电性能，同时以热固性酚醛树脂作为碳源，向树脂中加入磷酸类固化剂实现低温条件下的固化，节省了能源，同时磷酸类固化剂也可作为活化剂进一步提高材料的活化程度。

本发明的第二目的在于提供一种石墨烯复合多孔炭材料，与现有的活性炭相比，石墨烯/活性炭具有较好的导电性，克服了传统活性炭因导电性差带来的功率密度低、倍率性能差等缺点。

本发明的第三目的在于提供所述的石墨烯复合多孔炭材料在制备电极材料中的应用，应用前景广阔。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种石墨烯复合多孔炭材料的制备方法，包括以下步骤：

(a)改性石墨烯和热固性树脂混合，得到混合物，其中，所述改性石墨烯为含有水溶性官能团的石墨烯；

(b)所述混合物中加入磷酸类固化剂，于70-90℃下固化，得到固化树脂；