CN103258658A - 一种基于功能型石墨烯超级电容器电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于功能型石墨烯超级电容器电极的制备方法，该方法首先通过Hummer法制备氧化石墨浆料，然后将氧化石墨浆料均匀涂覆在泡沫镍上，使得氧化石墨进入泡沫镍的丝网微孔中，经干燥后在常压条件下直接微波加热膨胀氧化石墨得到剥离和还原的功能型石墨烯，并镶嵌在泡沫镍的丝网中，将镶嵌有功能型石墨烯的泡沫镍压成片，经裁剪后即得到超级电容器电极；本方法工艺简单，可以实现大规模制备，所制备的功能型石墨烯镶嵌在泡沫镍的微孔中，将其作为超级电容器电极具有高的比容量。

Description

一种基于功能型石墨烯超级电容器电极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于功能型石墨烯超级电容器电极的制备方法，属于新能源领域。
技术背景
石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成的二维六边形蜂窝状平面结构，由于其特殊的结构，独特的电化学性能以及大量潜在的应用价值引起了世界各国科学家的广泛关注。2004年，Geim和Novoselov首先通过胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到单层石墨烯。随后，石墨烯的优异的光学、电学、以及热学性能等都被发掘出来，例如石墨烯的比表面积高达2600m2/g，应用前景十分广阔，如将石墨烯作为超级电容器的电极材料。因此如何高效、大量制备石墨烯成为我们首要解决的问题。目前，随着科技的发展，石墨烯的制备已经发展出了多种方法，主要包括机械剥离法，化学剥离法，化学气相沉积法（CVD），外延生长法，高温热膨胀法等。
这些方法都存在一些不足的地方，比如机械剥离法制备石墨烯产量低，面积小，不易操作等；外延生长法一般是在Ru等单晶上面生长石墨烯，由于单晶衬底的昂贵和高温等严格的生长条件限制了该方法大规模生产石墨烯；氧化还原法由于石墨经过强烈的氧化和还原后造成石墨烯的缺陷比较多，同时在还原过程中石墨烯片层之间容易发生团聚，还原不彻底，反应时间长等；CVD法制备石墨烯，对设备的要求高，产量低，条件苛刻等使得该方法制备石墨烯比较困难而且成本高。热剥离氧化石墨方法为快速制备石墨烯提供了一条非常好的途径，可以快速大规模制备高质量石墨烯。传统的热剥离方法需要极高的温度、快速的加热速率、高真空度以及低温氢气环境。随着电动汽车的发展，对新型储能材料和器件要求越来越高；石墨烯作为新颖的储能材料在超级电容器电极的应用中被寄予厚望，因此寻求简易方便的基于石墨烯电极的制备方法显得尤为重要。传统的超级电容器电极需要将电极材料与导电剂以及粘结剂混合制备而成，而粘结剂一般为绝缘体不导电，从而增大了电容器的内阻，降低了电容器的容量，因此如何提高基于石墨烯电容器电极的比容量成为急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于功能型石墨烯超级电容器电极的制备方法，解决传统的热膨胀法制备石墨烯要求的极高温度以及高真空的环境。申请人发现在常压条件下通过微波加热一段时间就可以使氧化石墨发生热膨胀剥离，同时使制备的功能型石墨烯镶嵌在泡沫镍丝网中，充分利用了泡沫镍表面积，提高了石墨烯电极吸附离子的能力，省去了与粘结剂混合的过程，降低了电容器的内阻，提高了比容量。
本发明提供的一种基于功能型石墨烯超级电容器电极的制备方法包括如下步骤：
1）首先将泡沫镍表面进行碱洗，然后进行酸洗，除去表面的氧化物，最后用清水进行清洗并烘干；
2）通过Hummers法制备氧化石墨浆料，然后将氧化石墨浆料均匀涂覆在经清洗烘干的泡沫镍上，并在真空干燥箱中烘干；
3）在常压条件下，将涂有氧化石墨的泡沫镍放入微波炉中，微波加热使泡沫镍网中的氧化石墨还原成镶嵌在泡沫镍丝网中的石墨烯；
4）微波的功率800～1600W；微波的时间30s～8min；
5）将镶嵌有功能型石墨烯的泡沫镍压成片，经裁剪后即得到超级电容器电极。
步骤2）中，所述在真空干燥箱中以45℃干燥48h。
步骤3）中，微波加热在Ar气保护环境下。
步骤5）中，所述泡沫镍在压片机上10Mpa压成片。
本发明的有益效果：
与传统所要求工艺相比，条件简单，容易实现，能耗低。并且制备出的功能型石墨烯的超级电容器的电极相比传统的电极制备方法—石墨烯、粘结剂、导电剂混合涂覆所制备的电极拥有更大的比电容。
具体实施方式
实施例1
（1）采用改进的Hummers法制备氧化石墨。首先，往500ml锥形瓶中加入115ml浓硫酸，并将锥形瓶放入低温恒温箱中，将温度控制在0℃左右。加入预先用稀盐酸处理过的天然鳞片石墨粉5g，再加入2.5g NaNO3，再缓慢加入15g KMNO4, 搅拌反应2h后。将锥形瓶移入35℃的恒温水浴箱中，继续搅拌反应2小时，此时溶液呈紫绿色。然后缓慢加入230 ml去离子水，将加热温度升高到95℃，继续搅拌一段时间。缓慢加入适量的双氧水，此时溶液变成金黄色，趁热过滤，并用质量分数为5%的盐酸和去离子水反复洗涤直到滤液中无硫酸根离子为止。最后将过滤后得的氧化石墨浆糊均匀涂覆在泡沫镍上，使氧化石墨浆糊充分进入泡沫镍的微孔中。
（2）将步骤（1）得到的涂有氧化石墨浆糊的泡沫镍放在真空干燥箱中45℃环境中干燥48h，然后在空气环境下中直接放入微波炉中，1600W微波加热30s即可得到镶嵌有功能型石墨烯的泡沫镍。
（3）经压片及裁剪后即可得到超级电容器用电极。在电化学工作站和恒流充放电仪器上分别进行电化学性能测试。测试结果表明，超级电容器在充放电电流密度为1A/g时的电极比电容高达248F/g；在扫描速率为1mV/s时，比电容高达245F/g。
实施例2
（1）将实例1中所制备的涂有氧化石墨浆糊的泡沫镍放在真空干燥箱中45℃环境中干燥48h，然后在空气环境下中直接放入微波炉中，1600W微波加热1min即可得到镶嵌有功能型石墨烯的泡沫镍。
（2）经压片及裁剪后即可得到超级电容器用电极。在电化学工作站和恒流充放电仪器上分别进行电化学性能测试。测试结果表明，超级电容器在充放电电流密度为1A/g时的电极比电容高达227F/g， 在扫描速率为1mV/s时，比电容高达223F/g。
实施例3
（1）将实例1中所制备的涂有氧化石墨浆糊的泡沫镍放在真空干燥箱中45℃环境中干燥48h，然后在空气环境下中直接放入微波炉中（Ar气保护），800W微波加热2min即可得到镶嵌有功能型石墨烯的泡沫镍。
（2）经压片及裁剪后即可得到超级电容器用电极。在电化学工作站和恒流充放电仪器上分别做电化学性能测试。测试结果表明，超级电容器在充放电电流密度为1A/g时的电极比电容高达236F/g，在扫描速率为1mV/s时，比电容高达232F/g。
实施例4
（1）将实例1中所制备的涂有氧化石墨浆糊的泡沫镍放在真空干燥箱中45℃环境中干燥48h，然后在空气环境下中直接放入微波炉中（Ar气保护），1200W微波加热2min即可得到镶嵌有功能型石墨烯的泡沫镍。
（2）经压片及裁剪后即可得到超级电容器用电极。在电化学工作站和恒流充放电仪器上分别做电化学性能测试。测试结果表明，超级电容器在充放电电流密度为1A/g时的电极比电容高达217F/g， 在扫描速率为1mV/s时，比电容高达212F/g。
实施例5
（1）将实例1中所制备的涂有氧化石墨浆糊的泡沫镍放在真空干燥箱中45℃环境中干燥48h，然后在空气环境下中直接放入微波炉中（Ar气保护），1600W微波加热2min即可得到镶嵌有功能型石墨烯的泡沫镍。
（2）经压片及裁剪后即可得到超级电容器用电极。在电化学工作站和恒流充放电仪器上分别做电化学性能测试。测试结果表明，超级电容器在充放电电流密度为1A/g时的电极比电容高达204F/g， 在扫描速率为1mV/s时，比电容高达201F/g。
实施例6
（1）将实例1中所制备的氧化石墨浆糊放在真空干燥箱中45℃中干燥48h，然后放入微波炉中（Ar气保护），1600W微波加热2min，膨胀热解后得到的黑色粉末即为功能型石墨烯。
（2）将得到的功能型石墨烯、乙炔黑、PTFE按照质量比8：1：1的比例均匀混合后，涂覆到泡沫镍上，经干燥压片裁剪后制成电极。然后在电化学工作站和恒流充放电仪器上分别进行电化学性能测试。测试结果表明，超级电容器在充放电电流密度为1A/g时的电极比电容高达189F/g， 在扫描速率为1mV/s时，比电容高达181F/g。
实施例7
（1）将实例1中所制备的涂有氧化石墨浆糊的泡沫镍放在真空干燥箱中45℃环境中干燥48h，然后在空气环境下中直接放入微波炉中（Ar气保护），1600W微波加热4min即可得到镶嵌有功能型石墨烯的泡沫镍。
（2）经压片及裁剪后即可得到超级电容器用电极。在电化学工作站和恒流充放电仪器上分别做电化学性能测试。测试结果表明，超级电容器在充放电电流密度为1A/g时的电极比电容高达177F/g，在扫描速率为1mV/s时，比电容高达170F/g。
 
实施例8
（1）将实例1中所制备的涂有氧化石墨浆糊的泡沫镍放在真空干燥箱中45℃环境中干燥48h，然后在空气环境下中直接放入微波炉中（Ar气保护），1600W微波加热8min即可得到镶嵌有功能型石墨烯的泡沫镍。
（2）经压片及裁剪后即可得到超级电容器用电极。在电化学工作站和恒流充放电仪器上分别做电化学性能测试。测试结果表明，超级电容器在充放电电流密度为1A/g时的电极比电容高达163F/g，在扫描速率为1mV/s时，比电容高达158F/g。

Claims (4)

1.一种基于功能型石墨烯超级电容器电极的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）首先将泡沫镍表面进行碱洗，然后进行酸洗，除去表面的氧化物，最后用清水进行清洗并烘干；
2）通过Hummers法制备氧化石墨浆料，然后将氧化石墨浆料均匀涂覆在经清洗烘干的泡沫镍上，并在真空干燥箱中烘干；
3）在常压条件下，将涂有氧化石墨的泡沫镍放入微波炉中，微波加热使泡沫镍网中的氧化石墨还原成镶嵌在泡沫镍丝网中的石墨烯；
4）微波的功率800～1600W；微波的时间30s～8min；
5）将镶嵌有功能型石墨烯的泡沫镍压成片，经裁剪后即得到超级电容器电极。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中，所述在真空干燥箱中以45℃干燥48h。
3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3）中，微波加热在Ar气保护环境下。
4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤5）中，所述泡沫镍在压片机上10Mpa压成片。
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