CN102522208A - 一种石墨烯基水平结构超级电容器及其制备方法 - Google Patents

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王永生
吴洪鹏
许海腾
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Abstract

一种石墨烯基水平结构超级电容器及其制备方法，涉及一种超级电容器及制备方法。解决了现有的超级电容器垂直结构与石墨烯在二维平面上展现出的物化性能不能兼容的问题。该器件结构是在衬底(1)上顺序制作左石墨烯导电薄膜电极(2)、右石墨烯导电薄膜电极(3)、左金属电极(4)、右金属电极(5)，左石墨烯导电薄膜电极(2)、右石墨烯导电薄膜电极(3)之间填充固态电解质层(6)。其方法包括：步骤一氧化石墨烯薄膜的制备；步骤二石墨烯导电薄膜电极的制备；步骤三金属电极的制备；步骤四水平结构超级电容器的制备。该超级电容器能够广泛应用于电子产品、新能源交通、新能源发电***以及电磁脉冲等军用设备领域。

Description

一种石墨烯基水平结构超级电容器及其制备方法
技术领域
本发明涉及超级电容器的制备方法，尤其涉及一种新型的石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法。
背景技术
超级电容器属于标准的低碳经济产品。与二次电池相比，超级电容器具有功率密度高，循环寿命长，充电时间短，可大电流充放电等特点；其中，它的最大优点是：短时间高功率输出。鉴于其特点，超级电容器能够广泛应用于电子产品、新能源交通、新能源发电***、分布式储能***以及电磁脉冲等军用设备领域。当前，超级电容器被视为一种大功率的物理二次电源，各主要发达国家都把对超级电容器的研究列为国家重点战略项目。电极材料是超级电容器中最核心的组成元素，目前使用最为广泛的是碳电极，包括活性碳、碳纤维、碳纳米管、碳气凝胶、玻态碳等碳基材料。石墨烯作为一种新型的碳材料，理论上具有超高的比表面积，特别是在二维方向上表现出良好的传导特性，是一种理想的电极材料。现阶段，对于石墨烯基超级电容器的研究主要局限于传统的垂直结构器件，这种垂直结构与石墨烯在二维平面上展现出的物化性能不能兼容，因而不利于这种材料性能的充分发挥。
发明内容
本发明所要解决有技术问题是：为了提高超级电容器的各项性能参数，进一步优化石墨烯材料在超级电容器中的应用，本发明提供一种新型的石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法，同时形成具有较高容量密度的超级电容器。本发明就是依据石墨烯的结构特点，充分利用其在水平方向上的高传导特性，构建新型的水平结构超级电容器。
本发明的技术方案：
一种石墨烯基水平结构超级电容器，该水平结构超级电容器是在衬底上顺序制作左石墨烯导电薄膜电极、右石墨烯导电薄膜电极、左金属电极、右金属电极，左石墨烯导电薄膜电极、右石墨烯导电薄膜电极之间填充固态电解质层。
一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法，该水平结构超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一氧化石墨烯薄膜的制备
将氧化石墨烯制成质量浓度为0.01～1％的水分散液；
将该分散液通过滴涂法、垂直沉积法、浸渍提拉法或层层自组装方法沉积到衬底上，在25℃～100℃下，干燥后得到氧化石墨烯薄膜；
步骤二石墨烯导电薄膜电极的制备
将上述氧化石墨烯薄膜连同衬底放置在还原环境下进行处理，得到石墨烯薄膜；用刀片在所得到的石墨烯薄膜表面划上一道深痕，以万用表测量刀痕两侧处于开路状态，得到左、右石墨烯导电薄膜电极；
或用刀片在所得到的氧化石墨烯薄膜表面划上一道深痕，再将氧化石墨烯薄膜连同衬底放置在还原环境下进行处理得到石墨烯薄膜，以万用表测量刀痕两侧处于开路状态，得到左、右石墨烯导电薄膜电极；
步骤三金属电极的制备
以掩模板遮挡左、右石墨烯导电薄膜电极的划痕及划痕周边，在靠近薄膜边缘地方裸露出一部分；利用真空热蒸发镀膜设备在上述石墨烯导电薄膜电极的裸露部分蒸镀左、右金属电极；
步骤四水平结构超级电容器的制备
以左、右金属电极作为超级电容器集电极，左、右石墨烯导电薄膜电极为超级电容器的左、右电极，在左、右石墨烯导电薄膜电极之间填充固态电解质层，制得石墨烯基水平结构超级电容器。
所述的步骤一中，采用垂直沉积法制备氧化石墨烯薄膜时，衬底放置在氧化石墨烯制成质量浓度为0.01～1％的水分散液中，并与水平方向夹角为10°～80°。
所述的步骤二中的石墨烯导电薄膜电极的制备，形成开路所使用的工具、方式不限，划痕宽度小于2μm。
所述的金属电极的制备，掩模板上裸露部分的形状及其所遮挡的划痕周边面积不受限制。
步骤一中，氧化石墨烯薄膜的厚度为10～1000nm。
步骤一中，衬底(1)为普通玻璃衬底、石英衬底。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
本发明摆脱了超级电容器传统的垂直结构制作思路，设计了一种新型的水平结构方案。同时，这种水平超级电容器从结构上兼容了石墨烯材料的结构特点，最大幅度的利用了石墨烯二维平面的特性。与垂直结构超级电容器相比，这种新型的石墨烯基水平结构超级电容器的容量密度显著提高。
附图说明
图1石墨烯基水平结构超级电容器的示意图。
图2石墨烯基水平结构超级电容器的容量曲线。
具体实施方式
一种石墨烯基水平结构超级电容器，如图1，在衬底1上顺序制作左石墨烯导电薄膜电极2、右石墨烯导电薄膜电极3、左金属电极4、右金属电极5，左石墨烯导电薄膜电极2、右石墨烯导电薄膜电极3之间填充固态电解质层6。
一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法之一，其步骤包括：
步骤一氧化石墨烯薄膜的制备
配置质量浓度为0.01％的氧化石墨烯水分散液。以普通玻璃为衬底1，将玻璃衬底1与水平方向成10°放置到盛有上述分散液的容器中，然后放进培养箱或烘箱缓慢蒸发干燥，温度控制在100℃。待水分蒸干后，在玻璃衬底上得到氧化石墨烯薄膜，平均厚度为10nm。
步骤二石墨烯导电薄膜电极的制备
将步骤一获得的氧化石墨烯薄膜在Ar/H2混合还原气(5Vol.％H2)保护下于500℃处理30min得到石墨烯导电薄膜。以美工刀在石墨烯导电薄膜中间处划上一道深痕，以万用表测量刀痕两侧处于开路状态，在刀痕两侧形成左、右石墨烯导电薄膜电极2、3。
步骤三金属电极的制备
以掩模板遮挡步骤二中石墨烯导电薄膜电极的划痕及划痕周边，在靠近薄膜边缘地方裸露出条状部分。以金丝为蒸镀材料，利用真空热蒸发镀膜设备在上述石墨烯导电薄膜电极的裸露部分蒸镀金，形成左、右金属电极4、5。
步骤四水平结构超级电容器的制备
以左、右金属电极4、5作为超级电容器集电极，左、右石墨烯导电薄膜电极2、3为超级电容器的左、右电极，聚乙烯醇粘合剂、磷酸导电剂、聚乙烯亚胺增塑剂组成的混合物(混合质量比为0.3∶1∶0.1)作为固态电解质填充左、右石墨烯导电薄膜电极(2、3)之间及其周边部分，比容量可达到57μF/cm2。
一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法之二，其步骤包括：
步骤一氧化石墨烯薄膜的制备
配置质量浓度为1％的氧化石墨烯水分散液。以石英为衬底1，将其水平放置。采用滴涂法，利用移液器将上述分散液滴加到石英衬底上，在衬底表面形成水膜。将此石英衬底放进培养箱中缓慢蒸发干燥，温度控制在25℃。待水分蒸干后在衬底上得到氧化石墨烯薄膜，平均厚度为1000nm。
步骤二石墨烯导电薄膜电极的制备
将步骤一获得的氧化石墨烯薄膜在Ar/H2混合还原气(5Vol.％H2)保护下于1050℃处理30min得到石墨烯导电薄膜。以三角刀在薄膜中间处划上一道深痕，以万用表测量刀痕两侧处于开路状态，在刀痕两侧形成左、右石墨烯导电薄膜电极2、3。
步骤三金属电极的制备
以掩模板遮挡步骤二中的石墨烯导电薄膜电极的划痕及划痕周边，在靠近薄膜边缘地方裸露出条状部分。以铝丝为蒸镀材料，利用真空热蒸发镀膜设备，在上述石墨烯导电薄膜电极的裸露部分蒸镀铝，形成左、右金属电极4、5。
步骤四水平结构超级电容器的制备
以左、右金属电极作为超级电容器集电极，左、右石墨烯导电薄膜电极为超级电容器的左右电极，质量比为0.2∶1∶0.2的聚氧化乙烯为粘合剂、LiCF3SO3导电剂、碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯增塑剂组成的混合物作为固态电解质填充左、右石墨烯导电薄膜电极(2、3)之间及其周边部分，比容量可达到118μF/cm2。
一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法之三，其步骤包括：
步骤一氧化石墨烯薄膜的制备
配置质量浓度为0.5％的氧化石墨烯水分散液。以普通玻璃为衬底1，将玻璃衬底1与水平方向成80°放置到盛有上述分散液的容器中，然后放进培养箱或烘箱缓慢蒸发干燥，温度控制在50℃。待水分蒸干后，在玻璃衬底上得到氧化石墨烯薄膜，平均厚度为470nm。
步骤二石墨烯导电薄膜电极的制备
将步骤一获得的氧化石墨烯薄膜在Ar/H2混合还原气(5Vol.％H2)保护下于500℃处理30min得到石墨烯导电薄膜。以壁纸刀在石墨烯导电薄膜中间处划上一道深痕，以万用表测量刀痕两侧处于开路状态，在刀痕两侧形成左、右石墨烯导电薄膜电极2、3。
步骤三金属电极的制备
以掩模板遮挡步骤二中石墨烯导电薄膜电极的划痕及划痕周边，在靠近薄膜边缘地方裸露出条状部分。以金丝为蒸镀材料，利用真空热蒸发镀膜设备在上述石墨烯导电薄膜电极的裸露部分蒸镀金，形成左、右金属电极4、5。
步骤四水平结构超级电容器的制备
以左、右金属电极4、5作为超级电容器集电极，左、右石墨烯导电薄膜电极2、3为超级电容器的左、右电极，质量比为0.2∶1∶0.2的聚四氟乙烯粘合剂、LiClO4导电剂、邻苯二甲酸酯增塑剂组成的混合物作为固态电解质填充左、右石墨烯导电薄膜电极(2、3)之间及其周边部分，比容量可达到263μF/cm2。
一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法之四与一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法之一区别为用刀片在所得到的氧化石墨烯薄膜表面划上一道深痕，再将氧化石墨烯薄膜连同衬底放置在还原环境下进行处理得到石墨烯薄膜，以万用表测量刀痕两侧处于开路状态，得到左、右石墨烯导电薄膜电极。
图2石墨烯基水平结构超级电容器的容量曲线。从曲线上可见电容器的比容量随着薄膜厚度的增加而增大，薄膜太厚时不利于器件性能的提高。

Claims (7)

1.一种石墨烯基水平结构超级电容器，其特征在于：
在衬底(1)上顺序制作左石墨烯导电薄膜电极(2)、右石墨烯导电薄膜电极(3)、左金属电极(4)、右金属电极(5)，左石墨烯导电薄膜电极(2)、右石墨烯导电薄膜电极(3)之间填充固态电解质层(6)。
2.一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法，其特征在于：
该水平结构超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一氧化石墨烯薄膜的制备
将氧化石墨烯制成质量浓度为0.01～1％的水分散液；
将该分散液通过滴涂法、垂直沉积法、浸渍提拉法或层层自组装方法沉积到衬底(1)上，在25℃～100℃下，干燥后得到氧化石墨烯薄膜；
步骤二石墨烯导电薄膜电极的制备
将上述氧化石墨烯薄膜连同衬底放置在还原环境下进行处理，得到石墨烯薄膜；用刀片在所得到的石墨烯薄膜表面划上一道深痕，以万用表测量刀痕两侧处于开路状态，得到左、右石墨烯导电薄膜电极；
或用刀片在所得到的氧化石墨烯薄膜表面划上一道深痕，再将氧化石墨烯薄膜连同衬底放置在还原环境下进行处理得到石墨烯薄膜，以万用表测量刀痕两侧处于开路状态，得到左、右石墨烯导电薄膜电极；
步骤三金属电极的制备
以掩模板遮挡步骤二中石墨烯导电薄膜电极的划痕及划痕周边，在靠近薄膜边缘地方裸露出一部分；利用真空热蒸发镀膜设备在上述石墨烯导电薄膜电极的裸露部分蒸镀左、右金属电极(4、5)；
步骤四水平结构超级电容器的制备
以左、右金属电极(4、5)作为超级电容器集电极，左、右石墨烯导电薄膜电极(2、3)为超级电容器的左、右电极，在左、右石墨烯导电薄膜电极(2、3)之间填充固态电解质层(6)，制得石墨烯基水平结构超级电容器。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法，其特征在于：
所述的步骤一中，采用垂直沉积法制备氧化石墨烯薄膜时，衬底(1)放置在氧化石墨烯制成质量浓度为0.01～1％的水分散液中，并与水平方向夹角为10°～80°。
4.根据权利要求2所述的一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法，其特征在于：
所述的步骤二中的石墨烯导电薄膜电极的制备，形成开路所使用的工具不限，划痕宽度小于2μm。
5.根据权利要求2所述的一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法，其特征在于：
所述的金属电极的制备，掩模板上裸露部分的形状及其所遮挡的划痕周边面积不受限制。
6.根据权利要求2所述的一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法，其特征在于：
步骤一中，氧化石墨烯薄膜的厚度为10～1000nm。
7.根据权利要求2所述的一种石墨烯基水平结构超级电容器的制备方法，其特征在于：
步骤一中，衬底(1)为普通玻璃衬底、石英衬底。
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