[发明专利]提高激光诱导石墨烯基电容器比电容的方法和激光诱导石墨烯基电容器

说明书

本发明提供了提高激光诱导石墨烯基电容器比电容的方法和激光诱导石墨烯基电容器，属于电容器技术领域。本发明提供的方法包括以下步骤：提供激光诱导石墨烯材料；将所述激光诱导石墨烯材料进行原位焦耳热处理，得到焦耳热处理的激光诱导石墨烯材料，其具有纳米级孔洞；以所述焦耳热处理的激光诱导石墨烯材料作为电极，组装得到比电容提高的激光诱导石墨烯基电容器。本发明通过对激光诱导石墨烯材料进行原位焦耳热处理，能够分解激光诱导石墨烯材料中的无定形碳杂质，形成更多的纳米级孔洞，增加了有效的活性表面积，以此能够有效提高激光诱导石墨烯基电容器的比电容；同时本发明提供的方法克服了传统方法操作复杂、生产成本高、环境污染的问题。

技术领域

本发明涉及电容器技术领域，尤其涉及提高激光诱导石墨烯基电容器比电容的方法和激光诱导石墨烯基电容器。

背景技术

随着便携式手持柔性电子设备的快速发展，人们对高功率、高能量密度、形状多样、小型化、易于模块化和集成化的便携式储能装置的需求日益增加。其中，超级电容器(SCs)因具有超高的功率密度、超快的充放电速率、优异的循环稳定性和显著的安全性，既可以作为柔性电池的补充，也可以作为独立的微型电源，近年来受到越来越多的关注。

石墨烯作为优异的电子导体，具有高的比表面积和良好的柔性，在微型超级电容器中表现出广阔的应用前景。在多种构建石墨烯基微型超级电容器的方法中，激光诱导石墨烯(LIG)技术价格低廉、灵活快捷、无需掩模板和复杂的后续处理，是一种高效、可快速集成化的加工手段，以LIG作为电极，在SCs制备方面有着巨大的优势。但是激光诱导石墨烯基电容器的比电容仅约为4.0mF/cm²(Nature Communication,2014,5,5714)，与其它碳基电容器相当，在一定程度上阻碍了其在大功率电容器中的广泛应用。

目前，已经有大量研究来提高激光诱导石墨烯基电容器的比电容，常见的两种方法就是杂原子(包括硼、氮、磷、硫等元素)掺杂和赝电容材料(包括氧化铷、氧化镍、氧化钴、氧化锰、氧化钌等过渡金属氧化物和聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等导电聚合物)的加载。前者是通过元素替换改变石墨烯的晶格结构，从而改变石墨烯中的电荷密度和电子迁移速率来提高比电容。例如Zhiwei Peng等(ACS nano,2015,9(6):5868-5875)在聚酰亚胺酸中添加硼酸然后经过亚胺化制备了含硼的聚酰亚胺膜，经过激光诱导后，制备了硼掺杂的激光诱导石墨烯电极，最高比电容达到16.5mF/cm²，是未参杂激光诱导石墨烯电极的3倍。后者是通过加载的赝电容材料来增加表面氧化还原反应，而不是单纯的依靠界面电荷吸附来提高比电容。例如，Lei Li等(Advanced Materials,2016,28(5):838-845.)通过电泳沉积的方式在激光诱导石墨烯膜上加载氧化锰、聚苯胺等赝电容材料，来提高激光诱导石墨烯基电容器的比电容。上述方法都在一定程度上提高了激光诱导石墨烯基电容器的比电容，但是存在操作复杂、生产成本高、环境污染等问题，限制了实际工业应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高激光诱导石墨烯基电容器比电容的方法和激光诱导石墨烯基电容器，本发明通过对激光诱导石墨烯材料进行原位焦耳热处理，能够分解激光诱导石墨烯材料中的无定形碳杂质，形成更多的纳米级孔洞，以此能够有效提高激光诱导石墨烯基电容器的比电容；同时本发明提供的方法克服了传统方法操作复杂、生产成本高、环境污染的问题，利于实际工业应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种提高激光诱导石墨烯基电容器比电容的方法，包括以下步骤：

提供激光诱导石墨烯材料；

将所述激光诱导石墨烯材料进行原位焦耳热处理，得到焦耳热处理的激光诱导石墨烯材料，所述焦耳热处理的激光诱导石墨烯材料具有纳米级孔洞；

以所述焦耳热处理的激光诱导石墨烯材料作为电极，组装得到比电容提高的激光诱导石墨烯基电容器。