[发明专利]一种耐高压石墨烯/活性炭电极材料及其制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种耐高压石墨烯/活性炭电极材料及其制备方法及其应用，该耐高压石墨烯/活性炭电极材料通过化学气相沉积法制备，使气态碳源在催化剂和高温作用下发生裂解反应，裂解出的气态碳沉积在催化剂的颗粒表面形成单层或多层石墨烯，得到的反应产物再经过化学刻蚀去除催化剂载体，使石墨烯包覆在活性炭颗粒表面，形成无边缘缺陷的耐高压石墨烯/活性炭电极材料。生长出的石墨烯包覆在活性炭颗粒表面，有效地抑制了活性炭在高电压下的体积膨胀和结构溃散，提高了该耐高压石墨烯/活性炭电极材料的耐压性能，可作为超级电容器的电极材料，增大超级电容器的电压区间，广泛应用于电化学材料制备领域。

技术领域

本发明涉及电化学材料制备领域，具体涉及一种耐高压石墨烯/活性炭电极材料及其制备方法及其应用。

背景技术

超级电容器有着功率密度高、充放电循环寿命长、工作温度范围宽、绿色无污染等优点，与其他现有的储能技术相比，具有数万次充放电循环寿命和高电流充放电特性的超级电容器被广泛地应用于消费电子、智能手表、智能电网、新能源汽车和航空航天等领域。

超级电容器的电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的关键因素。目前超级电容器的电极材料主要包括具有电容特性的碳材料、具有赝电容性能的金属氧化物和具有赝电容性能的导电聚合物三类。

商用的动力型超级电容器电极材料以活性炭为主，电解液多为有机电解液。在实际应用中，超级电容器单体的工作电压一般不超过2.8V，多为2.7V。当工作电压超过2.8V以后，超级电容器正负极稳定性就会降低，电极材料表面会产生大量不可逆氧化还原反应。

如文献“Oxidation-Resistant and Elastic Mesoporous Carbon with Single-Layer Graphene Walls”中所述，传统超级电容器用活性炭是一种边缘不连续的结构，存在着大量的边缘缺陷。所以导致活性炭超级电容器单个电极在有机系电解液中达到高于1.4V(相对于开路电压)的电压时就会在电极表面发生大量的不可逆氧化还原反应，使得超级电容器的工作电压限制在2.8V以下。

由能量存储公式，E＝CU²/2可知，双电层电容器在工作电压方面受到的限制也直接导致了其能量密度偏低(10W·h/kg)。而商业化的电池的能量密度一般大于35W·h/kg，使得超级电容器在这方面处于劣势。因此，现阶段如何制备得到优良电化学性能的碳材料以提高超级电容器的工作电压和能量密度是电极材料的研究重点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种耐高压石墨烯/活性炭电极材料。

为此，本发明提供了一种耐高压石墨烯/活性炭电极材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)将活性炭、催化剂按照体积比1:0.1～1:10的比例混合均匀；

(2)将步骤(1)得到的混合物作为基底放入真空管式炉内，通入气体碳源和惰性气体的混合气体进行化学气相沉积反应，混合气体的流速为0.1-500sccm，反应温度为800℃～1200℃，反应时间为1～5h；

(3)将步骤(2)得到的反应产物自然冷却至室温，浸入化学试剂刻蚀液中刻蚀除去催化剂载体，再将刻蚀后的反应产物进行过滤冲洗至滤液为中性并干燥；

(4)将步骤(3)得到的反应产物放入真空管式炉内，在保护性气体或真空条件下进行退火处理，最终得到耐高压石墨烯/活性炭电极材料。

优选的，步骤(1)中的催化剂为纳米铜粉、纳米多孔镍粉、纳米γ型氧化铝、纳米多孔沸石中的任意一种或几种，纳米铜粉、纳米多孔镍粉、纳米γ型氧化铝、纳米多孔沸石颗粒的粒径均为5～200nm。