[发明专利]一种石墨烯/电容炭电极浆料及制备方法和应用

说明书

一种石墨烯/电容炭电极浆料是由去离子水和固体成分组成，其质量比为去离子水50%‑90%，固体成分10%‑50%，固体成分为石墨烯、电容炭和粘结剂，三者所占全部固体成分的质量比分别为：0.1%‑20%、73%‑96%、3%‑7%。本发明具有使用寿命长和能量密度高，无污染的优点。

技术领域

本发明属于一种石墨烯/电容炭电极的浆料制备方法，具体涉及一种适用于超级电容器的石墨烯/电容炭电极片的浆料及制备方法和应用。

背景技术

超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、使用温度宽、安全性高和免维护等优点，其应用范围涉及从存储器的备用电源到电动汽车的能量功率系统、从新能源电网到航天、军事领域的大功率启动系统等诸多领域。电极作为超级电容器的核心组成部分，其品质的优劣将直接决定电容器内部的离子传输过程，影响器件最终的输入/输出性能。通常，超级电容器的电极制作一般将电极材料与粘结剂在去离子水中调制浆料，然后将其涂布到铝箔集流体上，经辊压和裁切等工艺步骤得到电极片。进而将电极片点焊引线后与隔膜卷绕一起得到电芯，加注电解液后封口得到成品超级电容器。

近年来，石墨烯由于具有优异的电子导电性和较大的比表面积，可以用来与电容炭配合用作超级电容器电极材料以提高其能量密度、减小内阻来提高功率性能。然而，石墨烯在水系中难以分散，容易形成团聚体，所制备出的石墨烯基电极往往存在大量的微观不均匀性，超级电容器在工作时会在内部产生局部过电势，造成性能降低、使用寿命下降。尽管石墨烯易于分散在NMP等有机溶剂中，但由于其沸点为203℃，远高于水的沸点，这将导致电极中残留大量的NMP。在电容器充电时，电极材料中大量NMP的残留将会引发大量不可逆的副反应，导致使用寿命下降，甚至带来安全隐患。同时，由于孔隙被这些NMP分子占据，活性炭内部存储离子的场所减少，电容器的能量密度也随之下降。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种使用寿命长和能量密度高，无污染的石墨烯/电容炭电极浆料及其制备方法和应用。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明石墨烯/电容炭电极浆料，是由去离子水和固体成分组成，其质量比为去离子水50％-90％，固体成分10％-50％，固体成分为石墨烯、电容炭和粘结剂，三者所占全部固体成分的质量比分别为：0.1％-20％、73％-96％、3％-7％。

所述的石墨烯，包括化学氧化还原法、化学气相沉积法、机械剥离法、外延生长法、液相插层等方法所制备的单层石墨烯、少层石墨烯(2-10层)及上述石墨烯改性或N、P、S等元素掺杂石墨烯中的一种或几种。

所述的电容炭是指煤基、石油焦、树脂类或生物质类前驱体经过炭化、活化处理得到的多孔炭材料；其平均孔径在0.7nm-8nm之间，比表面积介于800m²/g-3500m²/g。

所述的粘结剂为高分子类粘结剂，如聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸、酚醛树脂、羧甲基纤维素、聚偏氟乙烯、环氧树脂、丁苯橡胶中的一种。

一种石墨烯/电容炭电极浆料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将石墨烯与电容炭置于球磨机或砂磨机中，与氧化锆球一起球磨，进行初混，得到初混料，其中球料重量比5-20:1、转速30-200转/分钟、球磨时间为5-30分钟；

(2)在步骤(1)的初混料中加入干冰，干冰加入量为初混料质量的0.1％-5％，密封后以转速300-1500转/分钟继续混合球磨1-5小时，得到干混料，以实现石墨烯与电容炭的均匀混合；

(3)将步骤(2)干混料释放CO₂，并逐渐加入粘结剂搅拌0.5小时-10小时，之后加入去离子水调节所制浆料的粘度为1-9Pa·s，得到石墨烯/电容炭电极的浆料。

一种石墨烯/电容炭电极浆料的应用，包括以下步骤：