[发明专利]复合石墨烯薄膜、高能量超级电容器和智能柔性器件

说明书

本发明公开了一种复合石墨烯薄膜、高能量超级电容器和智能柔性器件，属于电化学储能技术领域。本发明通过精确调控石墨烯薄膜的片层间距，使片层间距与电解液中离子尺寸匹配，实现了电化学储能过程优化，而极大提高了电容器所储存的能量，并基于该薄膜构建了智能化输出的柔性器件。本发明工艺过程简单与现有技术兼容，且能大规模制备，可大幅提升器件的储能性能，因此具有极大的应用前景。

技术领域

本发明涉及电化学储能技术领域，具体涉及一种复合石墨烯薄膜、高能量超级电容器和智能柔性器件。

背景技术

超级电容器具有可快速充电、功率高、循环寿命长、工作温度范围宽、安全性能高等优点，可以用作大功率电源，在混合电动汽车、备用电源、便携式电子设备等领域都具有广阔的发展前景。然而，超级电容器相比于电池较低的能量密度(即单位体积内储存的能量)限制了其更广泛的应用范围。尤其在便携式智能设备的实际应用中，实现有限体积内更多的能量储存成为了需求，即提升体积能量密度。

电极材料是超级电容器的重要组成部分，近年来，石墨烯、碳纳米管等新型碳材料的发现和应用给储能领域带来了巨大的推动。以石墨烯材料为例，其作为超级电容器电极的理论容量高达550F g^-1，同时具有良好的导电性和稳定性。另外，相比于过渡金属材料，石墨烯材料可以在更高的电位窗口下稳定工作，具有了作为高能量、高功率超级电容器电极的巨大的应用潜力。

目前，许多工作对于如何提高石墨烯材料的容量做出了研究，然而，其对于能量密度带来的提升却远达不到实际应用的需求。为了实现最终能量密度的提高，一个从器件本身角度出发，对于材料的制备是必不可少的。其中一个重要因素是超级电容器的工作电位窗口，通常情况下由所选择的电解液所决定。离子液体具有高达4.0V的电位窗口，被认为是实现高能量密度超级电容器的良好选择。而如何制备一种电极材料，使其可以与不同的电解液匹配(即电极材料孔隙率可调控)，从而实现性能的最优化却仍然面临巨大挑战。并且在便携式和可穿戴电子产品的应用中，所制备的超级电容器的柔性也是必不可少的。此外，为满足不同的输出需求，是否可以通过智能化设计使得单一器件可以实现可选择性输出的功能也依然需要解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合石墨烯薄膜、高能量超级电容器和智能柔性器件。首先，通过调控电极材料的孔隙结构使其匹配电解液中离子的尺寸，实现了整个器件的高能量密度输出，达到了铅酸电池的水平且同时具备更高的功率密度；基于此构建了可智能输出的全固态柔性器件，因此具有广阔的市场应用前景。

本发明所采用的技术方案如下：

一种复合石墨烯薄膜，该复合石墨烯薄膜的制备过程为：将氧化石墨与热膨胀还原石墨烯以一定比例加入水中，通过超声分散得到均匀的悬浮液；然后将均匀的悬浮液进行真空抽滤得到薄膜并晾干；晾干后的薄膜进行碘化氢蒸汽还原提升其导电性后，即获得所述复合石墨烯薄膜；所述复合石墨烯薄膜中，热膨胀还原石墨烯的含量为40-60wt.％。

该复合石墨烯薄膜的厚度为10-200微米之间。

该复合石墨烯薄膜是由氧化石墨与热膨胀还原石墨烯组成，热膨胀还原石墨烯片均匀分散于氧化石墨中；通过调控氧化石墨与热膨胀还原石墨烯之间的比例(即调整石墨烯片层堆叠的方式)，能够调整石墨烯的片层间距。

所述复合石墨烯薄膜作为电极活性物质使用，由于其具有自支撑的结构特点，可直接作为工作电极而无需使用额外的集流体。利用复合石墨烯薄膜构建高能量超级电容器，可采用以下两种方式：

第一种方式为：以复合石墨烯薄膜直接作为工作电极，按照电极-隔膜-电极的顺序装配，并注入离子液体作为电解液，组装成高能量密度的超级电容器；所述隔膜为三层结构的聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯复合隔膜、单层聚丙烯膜、单层聚乙烯膜、玻璃纤维隔膜或纤维素隔膜；