CN103903875A - 一种石墨烯薄膜集流体的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯薄膜集流体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于集流体制备领域，其公开了一种石墨烯薄膜集流体的制备方法，包括步骤：利用膨胀石墨质保石墨烯；制备石墨烯薄膜；制备石墨烯薄膜集流体。本发明提供的石墨烯薄膜集流体的制备方法，将膨胀石墨加入到NMP溶剂中，放入水热反应釜中，微波加热，得到稳定的石墨烯悬浮液，通过过滤的方法得到石墨烯薄膜，然后将石墨烯薄膜浸入到溶液中进行改性，增强其电导率，然后再通过真空还原进一步提高电导率。

Description

一种石墨烯薄膜集流体的制备方法
技术领域
本发明涉及集流体制备领域，尤其涉及一种石墨烯薄膜集流体的制备方法。
背景技术
超级电容器是一种新型能量存储装置，具有高功率密度（为普通电池的10倍以上）、高循环寿命（循环次数可达10万次以上）、快速充放电性能好等优点，被广泛应用于军事领域、移动通讯装置、计算机、以及电动汽车的混合电源等。通常超级电容器的主要由电极活性物质层、电解质、隔膜、集流体、外壳等组装而成。现有的超级电容器的能量密度一般比较低，超级电容器的能量密度的影响因素主要有电极材料的电容，体系的电压，电极材料占电极活性物质层、集流体、外壳材料组成的总重量的比重，因此，增加电极材料的储能性能和降低器件各个组成材料的重量可以有效提高器件的性能。其中，降低集流体的质量是一个有效的提高能量密度的方法。
集流体是一种汇集电流的结构或零件，主要功能是将电池活性物质产生的电流汇集起来，提供电子通道，加快电荷转移，提高充放电库伦效率。作为集流体需要满足电导率高、机械性能好、质量轻、内阻小等特点。
目前，大多数的文献中或行业中，一般集流体正极采用铝箔、负极采用铜箔，由于金属集流体的密度较大，质量较重，一般集流体的重量占整个电池的20-25％，则电极材料占整个电池的比重大大减少，最终导致超级电容器的电导率较低。
发明内容
基于上述问题，本发明所要解决的问题在于提供一种石墨烯薄膜集流体的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种石墨烯薄膜集流体的制备方法，包括如下步骤：
将可膨胀石墨快速升温到800-1200℃，加热10-60S后进行热剥离，得到膨胀石墨；
将所述膨胀石墨加入到第一溶剂中，形成浓度为0.5-5mg/ml的膨胀石墨烯悬浮液，然后将所述膨胀石墨烯悬浮液放入石英反应釜中，150℃-200℃的温度下反应5-12h，随后对反应后的悬浮液进行超声分散1-2h，得到石墨烯悬浮液；
将所述石墨烯悬浮液放入离心机中进行离心处理，取上清液，并采用微孔滤膜真空过滤所述上清液，得到石墨烯薄膜；
将所述石墨烯薄膜浸入第二溶剂中，取出后乙醇冲洗干净，室温干燥，然后放入真空干燥箱中在150-250℃中干燥，得到石墨烯薄膜集流体。
所述石墨烯薄膜集流体的制备方法，其中，所述第一溶剂为NMP（N-甲基吡咯烷酮）、DMF（N,N-二甲基甲酰胺）或DMAc（N,N-二甲基乙酰胺）。
所述石墨烯薄膜集流体的制备方法，其中，所述离心处理时，离心机的转速为1000-3000rpm，离心时间为0.5-5min。
所述石墨烯薄膜集流体的制备方法，其中，所述石墨烯薄膜的厚度为3-20μm。
所述石墨烯薄膜集流体的制备方法，其中，所述第二溶剂为磺酰氯、亚硫酸（H2SO3）、硫酸（H2SO4）、碘等p型掺杂的物质。
本发明提供的石墨烯薄膜集流体的制备方法，将膨胀石墨加入到NMP溶剂中，放入水热反应釜中，微波加热，得到稳定的石墨烯悬浮液，通过过滤的方法得到石墨烯薄膜，然后将石墨烯薄膜浸入到溶液中进行改性，增强其电导率，然后再通过真空还原进一步提高电导率。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
实施例1
（1）膨胀石墨的制备：
可膨胀石墨：100目，纯度99%；
膨胀石墨：可膨胀石墨快速升温到1200℃，加热10S后热剥离得到膨胀石墨。
（2）石墨烯悬浮液的制备：将（1）中的膨胀石墨，加入到NMP溶剂中形成浓度为0.5mg/ml的膨胀石墨烯悬浮液。然后将此悬浮液放入石英反应釜中，150℃的温度下反应12h。将悬浮液倒出后再进行超声分散2h，得到石墨烯悬浮液。
（3）石墨烯薄膜制备：将石墨烯悬浮液放入离心机中以1000rpm的转数，离心5min，取上清液，采用微孔滤膜真空过滤上清液。得到石墨烯薄膜，厚度控制在3μm。
（4）石墨烯薄膜的后处理
将石墨烯薄膜浸入到磺酰氯溶剂中，浸泡5-10h，后取出，用乙醇冲洗干净，室温干燥，然后放入真空干燥箱中在150℃中干燥，得到石墨烯薄膜集流体。
实施例2
（1）膨胀石墨的制备：
可膨胀石墨：200目，纯度99%；
膨胀石墨：可膨胀石墨快速升温到1000℃，加热20S后热剥离得到膨胀石墨。
（2）石墨烯悬浮液的制备：将（1）中的膨胀石墨，加入到DMF溶剂中形成浓度为1mg/ml的膨胀石墨烯悬浮液。然后将此悬浮液放入石英反应釜中，180℃的温度下反应5h。将悬浮液倒出后再进行超声分散1h，得到石墨烯悬浮液。
（3）石墨烯薄膜制备：将石墨烯悬浮液放入离心机中以2000rpm的转数，离心4min，取上清液，采用微孔滤膜真空过滤上清液。得到石墨烯薄膜，厚度控制在10μm。
（4）石墨烯薄膜的后处理
将石墨烯薄膜浸入到5%亚硫酸（H2SO3）水溶液中，在60℃加热1h后取出，用乙醇冲洗干净，室温干燥，然后放入真空干燥箱中在200℃中干燥，得到石墨烯薄膜集流体。
实施例3
（1）膨胀石墨的制备：
可膨胀石墨：300目，纯度99.5%；
膨胀石墨：可膨胀石墨快速升温到1200℃，加热30S后热剥离得到膨胀石墨。
（2）石墨烯悬浮液的制备：将（1）中的膨胀石墨，加入到DMAc溶剂中形成浓度为2mg/ml的膨胀石墨烯悬浮液。然后将此悬浮液放入石英反应釜中，200℃的温度下反应12h。将悬浮液倒出后再进行超声分散2h，得到石墨烯悬浮液。
（3）石墨烯薄膜制备：将石墨烯悬浮液放入离心机中以3000rpm的转数，离心3min，取上清液，采用微孔滤膜真空过滤上清液。得到石墨烯薄膜，厚度在15μm。
（4）石墨烯薄膜的后处理
将石墨烯薄膜浸入到70%的浓硫酸和乙酸酐的混合溶液中，在60℃浸泡30min，后取出，用乙酸酐冲洗干净，室温干燥，然后放入真空干燥箱中在250℃中干燥，得到石墨烯薄膜集流体。
实施例4
（1）膨胀石墨的制备：
可膨胀石墨：500目，纯度99%；
膨胀石墨：可膨胀石墨快速升温到1200℃，加热60S后热剥离得到膨胀石墨。
（2）石墨烯悬浮液的制备：将（1）中的膨胀石墨，加入到NMP溶剂中形成浓度为5mg/ml的膨胀石墨烯悬浮液。然后将此悬浮液放入石英反应釜中，150℃的温度下反应12h。将悬浮液倒出后再进行超声分散2h，得到石墨烯悬浮液。
（3）石墨烯薄膜制备：将石墨烯悬浮液放入离心机中以3000rpm的转数，离心5min，取上清液，采用微孔滤膜真空过滤上清液。得到石墨烯薄膜，厚度在20μm。
（4）石墨烯薄膜的后处理
将石墨烯薄膜浸入到一定溶解在甲苯中的碘溶液中，浸泡1-10h，后取出，用乙醇冲洗干净，室温干燥，然后放入真空干燥箱中在250℃中干燥，得到石墨烯薄膜集流体。
1、石墨烯薄膜集流体的电导率的测定：
室温下用D41-11D/ZM型双电测四探针测试仪测试电导率，当测试电流显示为探针系数时，按下电阻率ρ的按钮，则屏幕直接显示电阻率ρ值，按照γ=l/ρ直接计算出电导率。
试样为实施例1制得的石墨烯薄膜集流体，通过四探针法测定，石墨烯薄膜的电导率为1.4×105S/m，说明制备的石墨烯薄膜的电导率较高，可以作为集流体使用。
对比例，不经过溶液浸泡，所得的石墨烯薄膜的电导率为6.5×104S/m。
应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种石墨烯薄膜集流体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将可膨胀石墨快速升温到800-1200℃，加热10-60S后进行热剥离，得到膨胀石墨；
将所述膨胀石墨加入到第一溶剂中，形成浓度为0.5-5mg/ml的膨胀石墨烯悬浮液，然后将所述膨胀石墨烯悬浮液放入石英反应釜中，150℃-200℃的温度下反应5-12h，随后对反应后的悬浮液进行超声分散1-2h，得到石墨烯悬浮液；
将所述石墨烯悬浮液放入离心机中进行离心处理，取上清液，并采用微孔滤膜真空过滤所述上清液，得到石墨烯薄膜；
将所述石墨烯薄膜浸入第二溶剂中，取出后乙醇冲洗干净，室温干燥，然后放入真空干燥箱中在150-250℃中干燥，得到石墨烯薄膜集流体。
2.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜集流体的制备方法，其特征在于，所述第一溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺。
3.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜集流体的制备方法，其特征在于，所述离心处理时，离心机的转速为1000-3000rpm，离心时间为0.5-5min。
4.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜集流体的制备方法，其特征在于，所述石墨烯薄膜的厚度为3-20μm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯薄膜集流体的制备方法，其特征在于，所述第二溶剂为磺酰氯、亚硫酸、硫酸或碘。
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