[发明专利]一种高密度石墨烯及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高密度石墨烯及其制备方法，涉及能源材料石墨烯的制备领域，步骤如下：将石墨烯溶液制备成石墨烯膜，然后将石墨烯膜还原，最后将还原的石墨烯膜在粉碎机中进行粉碎，即得到高密度石墨烯。所述制备石墨烯膜的方法为抽滤法、刮涂法，所述还原方法为热还原、化学试剂还原。将致密的石墨烯膜在粉碎机中粉碎，不仅可以保持石墨烯高密度的结构特性，而且打碎了石墨烯膜的完整性，缩短了离子的传输路径，使得本发明制备的高密度石墨烯在电化学储能领域中具有高密度、高体积容量、优异的倍率性能和长循环寿命。与现有技术相比，本发明提供的制备方法简单，成本低，可适用于大规模的工业化生产。

技术领域

本发明涉及能源材料石墨烯的制备领域，具体为一种高密度石墨烯及其制备方法。

背景技术

人们对便携和移动电子设备的需求越来越高，能源存储器件的体积容量变得尤为重要。电极材料作为重要的组成部分之一，直接决定了器件的电化学性能。以石墨烯为代表的电极材料是能源存储领域的研究热点。石墨烯具有结构稳定，导电性良好，比表面积大的优点。但是这些石墨烯材料难以同时满足高密度和高质量比容量的要求。所以许多材料的优异性能并未在器件上得到很好的反映，这大大降低了其实用性。其中一个重要原因是许多关于电极材料性能的研究主要局限于质量比容量性能。然而，许多基于石墨烯的电极材料具有高孔隙率和低密度。纳米材料的低堆积密度使得电极具有大量空隙，并且这些空间对于离子存储是无效的，从而增加了器件的重量但没有增加电容。由于密度低，这些材料的体积容量通常较低。但是对便携式设备的需求增加以及使用空间的限制，需要能量存储设备以尽可能小的体积存储尽可能高的容量，所以体积能量密度非常重要。

近年来，提高电极材料密度的研究引起了广泛关注。例如，[Nano Letters, 2008,8(10): 3498-3502.] 文章中采用水合肼还原氧化石墨烯，制备得到由石墨烯片团聚而成的石墨烯颗粒，将其与PTFE混合制成电极后的压实密度为0.5 g/cm³，其在水系和有机系中的体积比容量分别为67.5 F/cm³和49.5 F/cm³。[Nano Energy, 2013, 2(5): 764-768.]文章中用微波辐射氧化石墨制得MEGO，然后用KOH活化得到a-MEGO，将a-MEGO与PTFE粘结剂混合均匀后卷成薄膜并冲压成电极，压实后的密度为0.75 g/cm³，在离子液中的体积容量为110 F/cm³。

另外，有的研究为了避免石墨烯的再堆叠现象，将不同的碳纳米材料（如炭黑、单壁碳纳米管等）作为间隔层插入到石墨烯片层之间，或者用褶皱的石墨烯作为电极。例如[Chemical Physics Letters, 2013, 584: 124-129.]，文章中用单壁碳纳米管作为石墨烯材料的间隔层，使得石墨烯的平均孔径由2.3 nm增加到3.8 nm，孔径明显增大。[ACSApplied Materials Interfaces, 2015, 7(40): 22284-22291.]，文章中用褶皱的少层石墨烯作为电极材料，活性材料的密度为0.76 g/cm³。上述研究尽管能在一定程度上增大石墨烯材料的比表面积，但是也增大了石墨烯之间的孔隙，降低了石墨烯材料的堆积密度。

综上所述，尽管有些研究方法可以有效提高石墨烯材料的密度，但是难以克服石墨烯片之间紧密堆积的问题，这严重阻碍了电解质离子的传输，或者有的研究的石墨烯片层之间孔隙过大，堆积不紧密，导致密度小，体积容量低。因此需要一种高体积容量和高质量容量的高密度石墨烯材料的制备方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术中高密度石墨烯制备中的各种问题，提供了一种高密度石墨烯及其制备方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种高密度石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

（1）由石墨烯溶液制备得到石墨烯膜；

（2）将步骤（1）得到的石墨烯膜进行还原，得到有序的高密度石墨烯膜；