CN103077766A - 一种石墨烯导电薄膜及其在电化学电容器中的应用 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯导电薄膜及其在电化学电容器中的应用，所述石墨烯导电薄膜包括基材和附着在其上的氧化石墨烯所述石墨烯导电薄膜的生产方法包括以下步骤：a.将氧化石墨烯水溶液涂覆在基材上，所述水溶液浓度为0.1～5mg/mL，涂覆厚度为10～100μm；b.将基材上的涂覆液烘干；c.重复a和b步骤；d.将步骤c得到的基材放入真空室，经过冷却后对氧化石墨烯激光扫描，然后收卷。

Description

一种石墨烯导电薄膜及其在电化学电容器中的应用
技术领域
本发明涉及一种石墨烯导电薄膜及其在电化学电容器中的应用。
背景技术
石墨烯（graphene)是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，由单原子厚度的SP2杂化碳原子构成，可在二维空间无限延伸，是严格意义上的二维材料。2004年，Novoselov等首次用机械剥离法获得了单层石墨烯由此推翻了人们一直认为二维材料在室温不能稳定存在这一概念。完美的石墨烯由具有六边形晶格的单层石墨组成，具有理想的二维晶体结构，比表面积达到2600m2·g-1。这种特殊的二维晶体结构决定了石墨烯具有许多独特的性质，例如导热系数高达5300 W/(m·K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2·V-1·s-1，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于其在电子工业领域潜在的应用价值，近年来引起了科学界广泛的关注，对其研究正掀起一股热潮。
随着气候变化和化石燃料使用殆尽，当今世界正将视线转移到持续可再生资源上。从低CO2排放的电力运输工具到混合动力运输工具，再到太阳能、风能，新能源发展前景一片大好。但是考虑到太阳能和风能受时间和条件的限制，能量存储系统此时起着至关重要的作用。常见的储能器件包括电池和超级电容器。锂离子电池存在难以克服的缺点，例如较低的功率密度和较长的充放电时间，而超级电容器恰好克服了这一缺陷。超级电容器，又被称为电化学电容器。它可以在数秒中内完成充放电过程，将来有望在储能领域补充或者代替锂离子电池，例如作为无干扰功率供应设备、保护器件等。超级电容器填补了电池和传统固态电容器间的鸿沟。同时，超级电容器被认为是具有环境友好性、无污染和免维修等特点，成为当今世界新能源研究的热点和焦点。
碳材料是最早也是目前研究和应用最为广泛的超级电容器电极材料之一，目前对超级电容器的研究主要集中在开发具备高容量和能量密度及低价的材料等方面。石墨烯的发现促使人们开始探究其在超级电容器中应用的可能性。特别是通过氧化石墨烯制备的石墨烯成本低廉，且可以量产，为其发展前景注入了一剂兴奋剂。
氧化还原法是最常用可以实现大规模制备石墨烯的方法。制备氧化石墨的方法采用美国专利US2798878公布的Hummers法或其改进方法。这种方法是用硫酸和硝酸等强酸对原料石墨进行质子化处理，形成一阶石墨层间化合物，然后加入高猛酸钾等强氧化剂对其进行氧化。对于一般制备的石墨烯，我们希望结构完整，化学稳定性高。但是通过还原制备的二维石墨烯晶体表面呈惰性状态，片层之间有较强的范德华力，容易产生聚集，并与其它介质的相互作用较弱，极难溶于水及常用的有机溶剂，对它的进一步应用造成了限制。为了充分发挥其优良性质，可以通过引入特定的官能团，对其表面进行修饰，从而扩展其应用领域。
目前，超级电容器电极材料一般采用具有较大比表面积的活性炭，如中国专利02112894.4介绍一种超级电容器用活性炭的处理方法，其特征是用金属离子Al3+、Li+、Zn2+、Cu2+、Ti+、Pb2+中的任何一种在活性炭表面进行欠电位沉积，为电化学双层电容器提供法拉第准电容。可以将所述离子溶液的任一种加入超级电容器KOH电解液中，也可以用所述离子溶液的任一种修饰活性炭粉，使其微孔里沉积该种离子。虽然活性碳由于其成本低廉和高比表面积，广泛使用在超级电容器电极材料中，但是活性炭的导电性和比表面积远低于石墨烯，用活性炭制备的超级电容器仍不能满足汽车等对快速充放电的需要。
发明内容
在本发明的目的是为了连续化生产石墨烯导电薄膜，并将其应用于制备具有更高能量密度和功率密度的柔性化学超级电容器。
为了实现以上目的，本发明提出以下技术方案：
一种石墨烯导电薄膜，包括基材和附着在其上的氧化石墨烯，所述石墨烯导电薄膜的制备方法包括以下步骤，
a.将氧化石墨烯水溶液涂覆在基材上，所述水溶液浓度为0.1~5mg/mL，涂覆厚度为10~100μm；
b.将基材上的涂覆液烘干； 
c.重复a和b步骤；
d.将步骤c得到的基材放入真空室，经过冷却后对氧化石墨烯激光扫描，然后收卷。
优选地，所述的氧化石墨烯是先将石墨深度化学氧化得到石墨氧化物，通过热膨胀或超声剥离得到单层石墨烯氧化物，由于含氧基团的存在，可以降低氧化石墨烯层间的范德华作用力，避免发生团聚。
优选地，所述氧化石墨烯是将氧化石墨烯和碳纳米管自组装，然后将二者混合所得；所述氧化石墨烯被阳离子材料修饰，所述碳纳米管经酸氧化处理或阴离子修饰。
优选地，所述阳离子是聚环已亚胺或壳聚糖，阴离子是海藻酸钠。
优选地，所述基材厚度为20~100μm，所述基材是BOPET薄膜、铝箔或复写纸。
优选地，所述真空室的压力为5×10-3Pa～6.7×10-1Pa。
优选地，上述步骤d中所述冷却的温度为-15℃～60℃。
优选地，所述激光扫描涂覆的氧化石墨烯是采用干法工艺进行，可以实现充分的还原，同时还解决了凝聚问题，所述激光的波长范围为780~790nm，更优选788nm，扫描时间视涂膜厚度而定。
一种电化学电容器，包括电极和介于所述电极之间的电解液，所述电极为上述的石墨烯导电薄膜，所述电解液为（1）磷酸、（2）由磷酸与聚乙烯醇树脂混合而成的凝胶状物质或（3）离子液体三种中的一种。
上述石墨烯导电薄膜还可用于制备超级电容器或充电电池。
附图说明
图1 本发明石墨烯导电薄膜制备工艺流程图
图2 本发明真空室结构示意图
图3 本发明柔性超级电化学电容器结构图
图4 本发明石墨烯和CNT自组装结构图
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明
实施例1：
如图1所示，通过改进的Hummers法生产廉价的氧化石墨烯（金黄色），然后把氧化石墨烯制成水溶液，按照一定厚度涂覆到基材上，例如双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯（BOPET）薄膜，将其烘干，然后收集成卷；把涂覆了氧化石墨烯的BOPET卷放入如图2所示真空室，抽真空后开卷通过冷却辊筒，同时用激光扫描涂覆的氧化石墨烯，直到变为石墨烯（黑色），然后成品收卷。
将制备好的石墨烯导电薄膜分切加工，做成1cm2的电极，中间加入电解液制备成如图3所示的柔性超级电化学电容器进行性能测试，图中1-PET，2-多层石墨烯，3-电解液。
所述柔性超级电化学电容器的电解液，包括（1）磷酸、（2）由磷酸与聚乙烯醇（PVA）树脂混合而成的凝胶状物质或（3）离子液体三种中的一种。
采用离子液体的柔性超级电化学电容器，单位体积的最大能量密度约为1.4kW·h/L，单位体积的最大输出功率密度约为20kW/L
实施例2：
将氧化石墨烯和碳纳米管（CNT）自组装，形成如图4所示结构，然后涂覆在BOPET上制备导电石墨烯薄膜，再制成电极。
所述氧化石墨烯被聚环已亚胺阳离子修饰，或者其他阳离子材料修饰，如壳聚糖等；所述CNT经酸氧化处理修饰，或者其他阴离子材料修饰，如海藻酸钠等，然后将二者混合自组装。自组装的基本原理是体系自发的向自由能减少的方向移动，形成共价键、离子键、配位键等，从而得到多层交替材料，经阳离子修饰的氧化石墨和带阴离子的酸氧化CNT利用电荷间较强的静电作用交替层叠形成自组装材料。由于氧化石墨烯在水溶液中不经处理表面自带负电荷，也可通过其他方式把CNT阳离子化，然后二者通过静电作用自组装。自组装完成后溶液涂覆在BOPET上。
所述采用该电极与水性电解液制造电容器或充电电池时发现，电极单位重量的输出功率密度为58 kW/kg，单位重量的能量密度为63W·h/kg，分别是采用活性炭电极时的10倍。采用离子液体作为电解液时，能量密度进一步提高到了156Wh/kg。

Claims (10)

1.一种石墨烯导电薄膜，包括基材和附着在其上的氧化石墨烯，所述石墨烯导电薄膜的生产方法包括以下步骤：
a.将氧化石墨烯水溶液涂覆在基材上，所述水溶液浓度为0.1~5mg/mL，涂覆厚度为10~100μm；
b.将基材上的涂覆液烘干； 
c.重复a和b步骤；
d.将步骤c得到的基材放入真空室，经过冷却后对氧化石墨烯激光扫描，然后收卷。
2.根据权利要求1所述石墨烯导电薄膜，其特征在于所述氧化石墨烯是先将石墨进行化学氧化，再通过热膨胀或超声剥离得到单层氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述石墨烯导电薄膜，其特征在于所述氧化石墨烯是将氧化石墨烯和碳纳米管自组装，然后将二者混合所得；所述氧化石墨烯被阳离子材料修饰，所述碳纳米管经酸氧化处理或阴离子材料修饰。
4.根据权利要求3所述石墨烯导电薄膜，其特征在于所述阳离子是聚环已亚胺或壳聚糖，阴离子是海藻酸钠。
5.根据权利要求1所述石墨烯导电薄膜，其特征在于所述基材厚度为20~100μm，所述基材是BOPET薄膜、铝箔或复写纸。
6.根据权利要求1所述石墨烯导电薄膜，其特征在于所述真空室的压力为5×10-3Pa～6.7×10-1Pa。
7.根据权利要求1所述石墨烯导电薄膜，其特征在于步骤d中所述冷却的温度为-15℃～60℃。
8.根据权利要求1所述石墨烯导电薄膜，其特征在于所述激光的波长范围为780~790nm。
9.根据权利要求8所述石墨烯导电薄膜，其特征在于所述激光的波长范围为788nm。
10.一种电化学电容器，包括电极和介于所述电极之间的电解液，所述电极为权利要求1－9任意一项所述的石墨烯导电薄膜，所述电解液为（1）磷酸、（2）由磷酸与聚乙烯醇树脂混合而成的凝胶状物质或（3）离子液体三种中的一种。
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