CN104925785A - 一种多孔石墨烯及采用其的超级电容器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超级电容器技术领域，公开了一种多孔石墨烯及采用其的超级电容器的制备方法，所述多孔石墨烯由以下步骤制备而成：将氧化石墨烯水溶液与无机盐以氧化石墨烯和无机盐质量比为1：1-10的配比混合搅拌0.5h，后将混合液置于管式炉中，在氮气保护气氛下以1-10℃/min的升温速度升至200-300℃，保温1-3h,自然降温到室温，后再置于水溶液中煮沸搅拌1h，过滤后得到高比表面积的多孔石墨烯，滤液可重新结晶得到原始无机盐，并可重复使用。本发明的有益效果是：制备过程简单，环境污染小，并且易于实现工业化生产，同时生产的多孔石墨烯具有高比表面积和发达中孔孔隙结构，多孔石墨烯能够表现出较高的比电容。

Description

一种多孔石墨烯及采用其的超级电容器的制备方法
技术领域
本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种多孔石墨烯及采用其的超级电容器的制备方法。
背景技术
超级电容器作为一种兼备电池及电容器技术优点的新型储能器件，具有高功率密度、超长使用寿命（循环寿命高达100万次以上，预期长达三十年的寿命）、使用温度范围宽（-40～70℃）、充电速度快（几十秒内完成）、放置时间长、高效储能和节能、安全环保等优点，因此其已广泛应用于风力发电、电动汽车、军工和港口机械等领域。
石墨烯的超高导电率（理论值2500 S m-1）和超高比表面积（理论值2630 m2 g-1）能有效降低超级电容器的内阻和提高比能量的目的，因此石墨烯是超级电容器电极材料研究的热点。但是石墨烯片层之间的π-π共轭效应，易于引起石墨烯的团聚，造成石墨烯成密实结构，且比表面积小于300 m2 g-1，影响其在超级电容器中对电解液离子的吸附，降低超级电容器的比能量。因此石墨烯的造孔即多孔石墨烯的制备是其在超级电容器应用中发挥优良特性的关键。目前，大多数高比表面积的多孔石墨烯是通过物理或化学活化法、水热法合成，然而这些方法均需要高温高压，且整个过程工序复杂，造成产品的价格较高。
目前的超级电容器存在比电容相对较低的问题，而采用石墨烯能够提高其比电容。但是多孔石墨烯存在上述的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种多孔石墨烯及采用其的超级电容器的制备方法。该方法制备过程简单，环境污染小，并且易于实现工业化生产，同时生产的多孔石墨烯具有高比表面积和发达中孔孔隙结构（中孔孔道为2-50 nm），多孔石墨烯能够表现出较高的比电容。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种多孔石墨烯，所述多孔石墨烯由以下步骤制备而成：将氧化石墨烯水溶液与无机盐以氧化石墨烯和无机盐质量比为1：1-10的配比混合搅拌0.5h，后将混合液置于管式炉中，在氮气保护气氛下以1-10℃/min的升温速度升至200-300℃，保温1-3h, 自然降温到室温，后再置于水溶液中煮沸搅拌1h，过滤后得到高比表面积的多孔石墨烯，滤液可重新结晶得到原始无机盐，并可重复使用。
作为优选方案，所述氧化石墨烯水溶液为含有5-7wt. %氧化石墨烯的水溶液。
作为优选方案，所述无机盐为：NaCl、KCl、Na2CO3或K2CO3。
一种采用多孔石墨烯的超级电容器的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将多孔石墨烯、导电炭黑、粘结剂按照质量比为8：1：1的配比混合均匀调至浆状，为浆料；
（2）然后利用涂覆机将浆料涂覆于铝箔上成型，制备得到厚度为240 μm炭电极，然后采用碾压机以40吨的压力和10 m/min的速度将炭电极压实，后冲切机将压实的炭电极冲成75×55 mm的炭电极片；
（3）将步骤（2）得到的炭电极片置于170℃真空干燥箱内干燥12h，得到电极片成品；
（4）分别将两个质量相等、厚度相等的步骤（3）得到的电极片成品作为正负极，以纤维素纸为隔膜，以有机系溶液为电解液，在充满高纯氩气的手套箱内装配成超级电容器。
作为优选方案， 所述步骤（1）的粘结剂为质量分数为10%的PTFE乳液或30%的SBR乳液。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1）多孔石墨烯的制备过程中无机盐可重复使用，无污染；
2）多孔石墨烯制备工艺简单、可控以及易于实现工业化生产；
3）多孔石墨烯装配的超级电容器具有高的比电容。
附图说明
图1为实施例1所制得的多孔石墨烯的透射显微镜图；
图2为实施例1所制得的多孔石墨烯的高倍透射显微镜图；
图3为实施例1所制得的多孔石墨烯的N2吸脱附曲线；
图4为实施例1所制得的多孔石墨烯的孔径分布图；
图5为实施例1所制得的超级电容器的倍率性能和循环性能图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1：
将含有6wt.%氧化石墨烯的水溶液与NaCl以氧化石墨烯和NaCl质量比为1：4的配比混合搅拌0.5h，后将混合液置于管式炉中，在氮气保护气氛下以2℃/min的升温速度升至200℃，保温1h, 自然降温到室温，后再置于水溶液中煮沸搅拌1h，过滤后，滤渣为多孔石墨烯。多孔石墨烯的透射电镜图如图1和2所示。多孔石墨烯的N2吸脱附曲线和孔径分布图（见图3和图4）显示其比表面积为1743 m2/g，并表明多孔石墨烯具有发达中孔孔隙结构（中孔孔道为2-50 nm），即拥有微孔-中孔-大孔结构。
然后将上述步骤所得的多孔石墨烯与导电炭黑、10%的PTFE乳液按照质量比为8：1：1的配比混合均匀调至浆状。然后利用涂覆机，调整刮刀高度将浆料涂覆于铝箔上成型，制备得到厚度为240 μm炭电极，后采用碾压机以40吨的压力和15 m/min的速度将炭电极压实，后冲切机将压实的炭电极冲成75×55 mm的炭电极片。将步骤炭电极片置于170℃真空干燥箱内干燥12h。分别将两个干燥后的质量相等、厚度相等的的电极片作为正负极，以纤维素纸为隔膜，以1 M TEABF4的乙腈溶液为电解液，在充满高纯氩气的手套箱内装配成超级电容器。该超级电容器在电流密度为0.05 A/g下，比电容为136 F/g；电流密度为20 A/g下，比电容为86 F/g（见图5）。超级电容器在电流密度为20 A/g下，循环10000后，容量保持率高达99.3%（见图5）。
实施例2：
本实施例过程与实施例1相同，不同之处在于：将步骤1中的氧化石墨烯水溶液的溶质溶度由6wt.%改为7wt.%、氧化石墨烯和NaCl质量比由1：4改为1：10、升温速率由2℃/min改为8℃/min、升温至200℃改为270℃，最终得到多孔石墨烯的比表面积为1678 m2/g，且多孔石墨烯具有发达中孔孔隙结构（中孔孔道为2-50 nm）；将步骤1中的10%的PTFE乳液改为30%的SBR乳液、1 M TEABF4的乙腈溶液改为1 M SBPBF4的乙腈溶液，所得的超级电容器在电流密度为0.05 A/g下，比电容为139 F/g；电流密度为20 A/g下，比电容为88F/g。在电流密度为20 A/g下，循环10000后，超级电容器的容量保持率高达99.1%。
实施例3：
将含有4.5wt.%氧化石墨烯的水溶液与Na2CO3以氧化石墨烯和Na2CO3质量比为1：1的配比混合搅拌0.5h，后将混合液置于管式炉中，在氮气保护气氛下以5℃/min的升温速度升至230℃，保温2h, 自然降温到室温，后再置于水溶液中煮沸搅拌1h，过滤后，滤渣为多孔石墨烯，结果表明其比表面积为1702 m2/g，且多孔石墨烯具有发达中孔孔隙结构（中孔孔道为2-50 nm）。
然后将上述步骤所得的多孔石墨烯与导电炭黑、10%的PTFE乳液按照质量比为8：1：1的配比混合均匀调至浆状。然后利用涂覆机，调整刮刀高度将浆料涂覆于铝箔上成型，制备得到厚度为240 μm炭电极，后采用碾压机以40吨的压力和15 m/min的速度将炭电极压实，后冲切机将压实的炭电极冲成75×55 mm的炭电极片。将步骤炭电极片置于170℃真空干燥箱内干燥12h。分别将两个干燥后的质量相等、厚度相等的的电极片作为正负极，以纤维素纸为隔膜，以1 M SBPBF4的乙腈溶液为电解液，在充满高纯氩气的手套箱内装配成超级电容器。该超级电容器在电流密度为0.05 A/g下，比电容为132 F/g；电流密度为20 A/g下，比电容为81 F/g。超级电容器在电流密度为20 A/g下，循环10000后，容量保持率高达99.7%。
实施例4：
本实施例过程与实施例3相同，不同之处在于：将步骤1中的氧化石墨烯水溶液的溶质溶度由4.5wt.%改为5wt.%、无机盐NaCO3改为KCl、氧化石墨烯和KCl质量比由1：1改为1：6、升温速率由2℃/min改为7℃/min、升温至200℃改为257℃，最终得到多孔石墨烯的比表面积为1600m2/g，且多孔石墨烯具有发达中孔孔隙结构（中孔孔道为2-50 nm）；将步骤1中的10%的PTFE乳液改为30%的SBR乳液，所得的超级电容器在电流密度为0.05 A/g下，比电容为128 F/g；电流密度为20 A/g下，比电容为80 F/g。在电流密度为20 A/g下，循环10000后，超级电容器的容量保持率高达99.0%。
实施例5：
本实施例过程与实施例4相同，不同之处在于：将步骤1中的氧化石墨烯水溶液的溶质溶度由5wt.%改为5.5wt.%、无机盐KCl改为K2CO3、氧化石墨烯和K2CO3质量比由1：6改为1：7、升温速率由2℃/min改为4℃/min、升温至200℃改为240℃，最终得到多孔石墨烯的比表面积为1693 m2/g，且多孔石墨烯具有发达中孔孔隙结构（中孔孔道为2-50 nm）；所得的超级电容器在电流密度为0.05 A/g下，比电容为135 F/g；电流密度为20 A/g下，比电容为87 F/g。在电流密度为20 A/g下，循环10000后，超级电容器的容量保持率高达99.5%。
实施例6：
本实施例过程与实施例5相同，不同之处在于：将步骤1中的氧化石墨烯水溶液的溶质溶度由5.5wt.%改为6wt.%、氧化石墨烯和K2CO3质量比由1：7改为1：3、升温速率由2℃/min改为6℃/min、升温至200℃改为230℃，最终得到多孔石墨烯的比表面积为1720 m2/g，且多孔石墨烯具有发达中孔孔隙结构（中孔孔道为2-50 nm）；将步骤1中的30%的SBR乳液改为10%的PTFE乳液，所得的超级电容器在电流密度为0.05 A/g下，比电容为136 F/g；电流密度为20 A/g下，比电容为85 F/g。在电流密度为20 A/g下，循环10000后，超级电容器的容量保持率高达99.2%。

Claims (5)

1.一种多孔石墨烯，其特征在于，所述多孔石墨烯由以下步骤制备而成：将氧化石墨烯水溶液与无机盐以氧化石墨烯和无机盐质量比为1：1-10的配比混合搅拌0.5h，后将混合液置于管式炉中，在氮气保护气氛下以1-10℃/min的升温速度升至200-300℃，保温1-3h, 自然降温到室温，后再置于水溶液中煮沸搅拌1h，过滤后得到高比表面积的多孔石墨烯，滤液可重新结晶得到原始无机盐，并可重复使用。
2.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯，其特征在于，所述氧化石墨烯水溶液为含有5-7wt. %氧化石墨烯的水溶液。
3.根据权利要求1所述的一种多孔石墨烯，其特征在于，所述无机盐为：NaCl、KCl、Na2CO3或K2CO3。
4.一种采用多孔石墨烯的超级电容器的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将多孔石墨烯、导电炭黑、粘结剂按照质量比为8：1：1的配比混合均匀调至浆状，为浆料；
（2）然后利用涂覆机将浆料涂覆于铝箔上成型，制备得到厚度为240 μm炭电极，然后采用碾压机以40吨的压力和10 m/min的速度将炭电极压实，后冲切机将压实的炭电极冲成75×55 mm的炭电极片；
（3）将步骤（2）得到的炭电极片置于170℃真空干燥箱内干燥12h，得到电极片成品；
（4）分别将两个质量相等、厚度相等的步骤（3）得到的电极片成品作为正负极，以纤维素纸为隔膜，以有机系溶液为电解液，在充满高纯氩气的手套箱内装配成超级电容器。
5.根据权利要求4所述的一种采用多孔石墨烯的超级电容器的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）的粘结剂为质量分数为10%的PTFE乳液或30%的SBR乳液。
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