CN103723720B - 一种适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，属于电极材料制备技术领域。该方法是以传统的椰壳活性炭为原料，经过去除杂质，匹配特定参数石墨烯，在去离子水溶液中高温活化，再经过过滤、烘干后得到适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭。本发明制备的活性炭比表面积1800m2~2000m2，振实密度0.28~0.32g/ml，用它制作的超级电容器，质量比电容达300F/g以上，体积比电容达190F/cm2。
Description
技术领域
本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，本发明涉及到一种适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，它是以传统椰壳活性炭为原料，主要经过水洗、添加石墨烯水分散液、超声、高温搅拌、过滤和烘干处理，最后得到适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭。
背景技术
超级电容器是一种新型电化学储能装置。由于它是根据电化学原理设计、制造出来的，因此又被称为电化学电容器，泛指具有高功率和高能量密度的电容器。超级电容器具有充放电快、使用寿命长、功率密度高、维护简单方便、经济环保等优点，有着越来越重要、越来越广泛的用途。
碳材料，特别是sp2杂化的碳材料，由于特殊的层状结构、超大的比表面积而成为重要储能装置的电极材料。碳材料如无定形碳、活性炭、石墨等已经广泛用于锂电池中。
石墨烯因其拥有较高的比表面积和高的电导率，因此在作为电容器材料时具有比传统多孔碳材料更优异的性质，但是石墨烯体积比电容小，无法应用于大容量的超级电容器等电学器件。虽然用活性炭改性石墨烯可以提高石墨烯的体积比电容至119.7F/cm2，但其改性过程的活化温度较高，且石墨烯价格昂贵，同时由于目前没有大量制备石墨烯的技术，所以用石墨烯制备超级电容器用电极材料不能工业化生产。
活性炭是超级电容器使用最多的电极材料，具有比表面积高、电化学稳定性好、原料丰富等优点。但是活性炭导电性较差、孔径分布不合理，活性炭的微孔结构贡献了主要的比表面积，而离子在微孔中的迁移阻力较大，另外，传统活性炭制作的超级电容器散热性能不理想。因此，无论它的原料来源如何变化、制备工艺如何改进，传统的活性炭的比表面积已经达到了峰值，传统活性炭生产的电容器性能已经无法再获得很大的突破。
因此，如何克服现有技术的不足已成为电极材料制备技术领域亟需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种氧化适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，该方法制备的活性炭比表面积达1800 m2~2000m2，振实密度达0.28~0.32g/ml，用它制作的超级电容器，质量比电容达300F/g以上，体积比电容达190F/cm2。
本发明采用的技术方案如下：
一种适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，将椰壳活性炭原料经水洗后加入石墨烯水分散液，超声处理，加热至60℃~100℃后，搅拌条件下反应，反应结束后经过过滤和烘干处理得到适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭，该活性炭的比表面积达1800 m2~2000m2，振实密度达0.28~0.32g/ml；
其中，椰壳活性炭和石墨烯水分散液的质量比为1:1~1:100；
石墨烯水分散液的浓度1wt‰~10wt%。选用椰壳活性炭，其目的在于，椰壳活性炭具有机械强度高，孔隙结构发达，比表面积大等优点，改性后的椰壳活性炭具有较高的储能性能。
进一步优选的是所述的椰壳活性炭粒度为1000~10000目。
进一步优选的是所述的水洗的次数至少为2次。
进一步优选的是所述的石墨烯片径为100nm~500μm。
进一步优选的是所述的超声处理的时间为0.5h~10h。
进一步优选的是所述的反应时间为1h~10h。
进一步优选的是所述的烘干时间为1h~24h。
进一步优选的是水洗次数为2~5次。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：本发明通过引入石墨烯，形成了石墨烯和活性炭构成的网路结构，首先使活性炭的比表面积得到充分利用，利用率达98%以上；其次大幅度提高了活性炭的导电性，从根本上改变了离子迁移阻力大的问题；再次，石墨烯优异的导热性能使器件的散热性能提高48%。本发明使用少量的石墨烯，即可使获得的活性炭性能大幅度改良，避免较高的活化温度，综合使用成本低，附加值高，易于工业化生产，改性的活性炭比电容数据，比国际目前最好的高50.3%。
附图说明
图1为本发明实施例3制备的适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的电镜图。
具体实施例
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法是将1000目的椰壳活性炭原料经2次水洗后加入石墨烯水分散液，超声处理0.5h，加热至60℃后，搅拌条件下反应1h，再经过过滤和1h的烘干处理得到本实施例的适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭；其中，椰壳活性炭和石墨烯水分散液的质量比为1:1，石墨烯水分散液的浓度为1‰，石墨烯片径为100nm。
实施例2
一种适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法是将10000目的椰壳活性炭原料经3次水洗后加入石墨烯水分散液，超声处理10h，加热至100℃后，搅拌条件下反应10h，再经过过滤和24h的烘干处理得到本实施例的适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭；其中，椰壳活性炭和石墨烯水分散液的质量比为1:100，石墨烯水分散液的浓度为10%，石墨烯片径为500μm。
实施例3
一种适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法是将5000目的椰壳活性炭原料经5次水洗后加入石墨烯水分散液，超声处理5h，加热至80℃后，搅拌条件下反应6h，再经过过滤和12h的烘干处理得到本实施例的适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭；其中，椰壳活性炭和石墨烯水分散液的质量比为1:50，石墨烯水分散液的浓度为5%，石墨烯片径为300μm。
本实施例制得的适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的电镜图如图1所示。图中可以看出石墨烯与活性炭复合的形态。
对比实施例
称取5000目的椰壳活性炭0.4g，经5次水洗后加入20g去离子水，超声处理5h，加热至80℃后，搅拌条件下反应6h，再经过过滤和12h的烘干处理得活性炭。
本发明实施例1~3和对比实施例的工艺参数及其产品性能检测数据如表1所示。
表1 本发明实施例1~3和对比实施例的工艺参数及其产品性能检测数据
| 石墨烯 | 石墨烯水分散液 | 椰壳活性炭 | 质量比电容 | 体积比电容 | |
| 实施例1 | 0.5g | 500.0g | 500.0g | 189.6F/cm2 | 299.6F/g |
| 实施例2 | 1.0g | 5.0g | 0.05g | 190.4F/cm2 | 300.1F/g |
| 实施例3 | 1.0g | 20.0g | 0.4g | 191.0F/cm2 | 300.8F/g |
| 对比实施例 | 0g | 20.0g | 0.4g | 108.4F/cm2 | 186.2F/g |
从上述实施例可以看出，石墨烯改性后的活性炭与未改性的活性炭相比，其体积比电容和质量比电容都有显著地提升。
Claims (6)
1.一种适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，其特征在于将椰壳活性炭原料经水洗后加入石墨烯水分散液，超声处理，加热至60℃～100℃后，搅拌条件下反应，反应结束后经过过滤和烘干处理得到适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭，该活性炭的比表面积达1800 m2/g～2000 m2/g，振实密度达0. 28～0. 32g/mL；
其中，椰壳活性炭和石墨烯水分散液的质量比为1：1～1：100；
石墨烯水分散液的浓度lwt‰～l0wt%；
所述的椰壳活性炭粒度为1000～10000目；
所述的石墨烯片径为l00nm～500μm。
2.根据权利要求l所述的适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，其特征在于所述的水洗的次数至少为2次。
3.根据权利要求l所述的适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，其特征在于所述的超声处理的时间为0. 5h～l0h。
4.根据权利要求l所述的适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，其特征在于所述的反应时间为1h～l0h。
5.根据权利要求l所述的适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，其特征在于所述的烘干时间为1h～24h。
6.根据权利要求2所述的适用于超级电容器的石墨烯改性活性炭的制备方法，其特征在于水洗次数为2～5次。
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