CN104008895A - 一种石墨烯-离子液体复合电极及其制备方法与电化学电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括:取氯化物插层石墨加入到熔融的离子液体中,以400~800W的功率超声剥离0.5~24小时,得到石墨烯、离子液体和氯化物的混合液;将混合液置于电场环境中,离心1~10分钟,除上清,得到石墨烯-离子液体复合材料;将得到的石墨烯-离子液体复合材料置于成型模具中,然后对模具盖施加10~30MPa的压力,冷却至室温,固化,得到石墨烯-离子液体复合电极。该方法将插层石墨悬浮于离子液体中进行超声处理,制得石墨烯-离子液体复合材料后直接压制成石墨烯电极,无需使用导电剂与粘结剂,也不必单独制备集流体,不仅提高了石墨烯电极的效能,也简化了其制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及电化学电源领域,尤其是一种石墨烯-离子液体复合电极及其制备方法与电化学电容器。
背景技术
电化学电容器是一种介于电容器和电池之间的新型储能器件。与传统的电容器相比,电化学电容器具有更高的比容量。近年来,随着电化学电容器的发展,逐渐出现了以石墨烯为电极材料的电化学电容器。现有技术中这类电化学电容器的电极以石墨烯材料为主体,加入乙炔黑作为导电剂,聚偏氟乙烯作为粘结剂,制成浆料后涂覆在金属箔片,干燥并裁切成型得到电极片。导电剂、粘结剂与集流体(即金属箔片)的加入,这不仅增加了电极的内阻,更导致了活性材料的比重下降,严重制约了电化学电容器的能量密度和功率密度,而且也使得石墨烯电极的制备工艺复杂化,导致其在电化学电容器中的应用受到了诸多方面的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷,提供一种石墨烯-离子液体复合电极及其制备方法,该方法将插层石墨悬浮于离子液体中进行超声处理,制得石墨烯-离子液体复合材料后直接压制成石墨烯电极,无需使用导电剂与粘结剂,也不必单独制备集流体,不仅提高了石墨烯电极的效能,也简化了其制备方法。本发明还提供了包括该石墨烯-离子液体复合电极的电化学电容器。
第一方面,本发明提供了一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括:
取氯化物插层石墨,按照固液比为1g:10~100mL的比例加入到熔融的离 子液体中,以400~800W的功率超声剥离0.5~24小时,得到石墨烯、离子液体和氯化物的混合液;
将所述混合液置于电场强度为100~1000V/m、电场方向为竖直向上的环境中,离心处理1~10分钟后,除去上清液,得到石墨烯-离子液体复合材料;
将得到的石墨烯-离子液体复合材料置于成型模具中,然后对模具盖施加10~30MPa的压力,冷却至室温,固化,得到石墨烯-离子液体复合电极。
优选地,所述氯化物插层石墨采用如下步骤制得:取石墨和氯化物插层剂按质量比1:0.8~1.2进行混合,置于密闭的容器中以460~550℃热处理2~6小时,反应结束后冷却至室温,经清洗干燥后得到氯化物插层石墨。
更优选地,所述石墨为天然磷片石墨或人造石墨。
更优选地,所述氯化物插层剂为氯化铁、氯化镍、氯化铜、氯化钴、氯化钾、氯化镁、氯化铅、氯化锌、氯化钙和氯化钡中的至少一种。
更优选地,所述清洗干燥的操作为:将反应物倒入去离子水中,滤取滤渣置于真空干燥箱中于80~100℃干燥4~6小时。
优选地,所述离子液体为凝胶状或凝固状的离子液体;所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐和1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。
优选地,所述离子液体熔融时的熔融温度为150~300℃。
优选地,所述离心,转速为1000~5000转/分钟。
本发明先将氯化物插层石墨悬浮于离子液体中进行超声处理,可制得分散性好、单层率高的石墨烯-离子液体复合材料,由于离子液体为凝胶状或凝固状,本身具有较好的粘性与导电性,可以充当电极中的导电剂与粘结剂,因此本发明所述石墨烯-离子液体复合电极无需额外添加导电剂与粘结剂;本发明以作电极材料的石墨烯是采用超声剥离的方法制得的,没有使用强氧化剂,石墨烯的良好的片层三维结构被很好的保留下来,其三维网络多孔结构和高导电性可为 电子提供了快速扩散通道,可实现电极材料的快速充放电性能,因此本发明所述石墨烯-离子液体复合电极也不需要制备集流体;制备方法简单,原料简单易得,成本低,易于实现工业化。
第二方面,本发明提供了一种石墨烯-离子液体复合电极,所述复合电极是由上述制备方法制得的。
本发明所述石墨烯-离子液体复合电极,不含导电剂与粘结剂,也不含集流体,全部材料均为活性成份石墨烯与离子液体,大大提高了活性物质的比重,降低了电极的内阻与接触电阻,提高了电极的功率密度。
第三方面,本发明提供了一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的隔膜。
优选地,所述隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯聚丙烯复合隔膜和无纺布隔膜中的一种。
在本发明实施例中,正极、负极与隔膜中均含有离子液体,可起电解液的作用,因而本发明所述电化学电容器不需要额外添加电解液。
本发明所述电化学电容器直接采用石墨烯-离子液体复合材料作为电极,电导率高、电极内阻小,比容量大;同时以冷却凝固后的离子液体作为电解液,增加了电极中活性材料的比重,提高了电化学电容器的安全性。
相比于现有技术,本发明所述石墨烯-离子液体复合电极及其制备方法与电化学电容器具有以下有益效果:
(1)直接将石墨烯-离子液体复合材料压制成电极,不需要使用导电剂与粘结剂,降低了生产成本,减少了调浆、混料、涂布等工艺,制备方法简单,原料简单易得,成本低,易于实现工业化;
(2)以分散性好、单层率高的石墨烯-离子液体复合材料作为电极材料,不需使用导电剂与粘结剂,也不需要制备集流体,大大提高了活性物质的比重,降低了电极的内阻与接触电阻,提高了电极的功率密度;
(3)直接采用石墨烯-离子液体复合材料作为电极,电导率高、电极内阻小, 比容量大;同时以冷却凝固后的离子液体作为电解液,增加了电极中活性材料的比重,提高了电化学电容器的安全性。
具体实施方式
下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括:
取氯化物插层石墨,按照固液比为1g:10~100mL的比例加入到熔融的离子液体中,以400~800W的功率超声剥离0.5~24小时,得到石墨烯、离子液体和氯化物的混合液;
将所述混合液置于电场强度为100~1000V/m、电场方向为竖直向上的环境中,离心处理1~10分钟后,除去上清液,得到石墨烯-离子液体复合材料;
将得到的石墨烯-离子液体复合材料置于成型模具中,然后对模具盖施加10~30MPa的压力,冷却至室温,固化,得到石墨烯-离子液体复合电极。
所述氯化物插层石墨采用如下步骤制得:取石墨和氯化物插层剂按质量比1:0.8~1.2进行混合,置于密闭的容器中以460~550℃热处理2~6小时,反应结束后冷却至室温,经清洗干燥后得到氯化物插层石墨。
所述石墨为天然磷片石墨或人造石墨。
所述氯化物插层剂为氯化铁、氯化镍、氯化铜、氯化钴、氯化钾、氯化镁、氯化铅、氯化锌、氯化钙和氯化钡中的至少一种。
所述清洗干燥的操作为:将反应物倒入去离子水中,滤取滤渣置于真空干燥箱中于80~100℃干燥4~6小时。
所述离子液体为凝胶状或凝固状的离子液体;所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐和1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。
所述离子液体熔融时的熔融温度为150~300℃。
所述离心,转速为1000~5000转/分钟。
本发明先将氯化物插层石墨悬浮于离子液体中进行超声处理,可制得分散性好、单层率高的石墨烯-离子液体复合材料,由于离子液体为凝胶状或凝固状,本身具有较好的粘性与导电性,可以充当电极中的导电剂与粘结剂,因此本发明所述石墨烯-离子液体复合电极无需额外添加导电剂与粘结剂;本发明以作电极材料的石墨烯是采用超声剥离的方法制得的,没有使用强氧化剂,石墨烯的良好的片层三维结构被很好的保留下来,其三维网络多孔结构和高导电性可为电子提供了快速扩散通道,可实现电极材料的快速充放电性能,因此本发明所述石墨烯-离子液体复合电极也不需要制备集流体;制备方法简单,原料简单易得,成本低,易于实现工业化。
其次,本发明提供了一种石墨烯-离子液体复合电极,所述复合电极是由上述制备方法制得的。
本发明所述石墨烯-离子液体复合电极,不含导电剂与粘结剂,也不含集流体,全部材料均为活性成份石墨烯与离子液体,大大提高了活性物质的比重,降低了电极的内阻与接触电阻,提高了电极的功率密度。
此外,本发明提供了一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的隔膜。
所述隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯聚丙烯复合隔膜和无纺布隔膜中的一种。
本发明所述电化学电容器的较佳制备方案为:
(1)隔膜预处理:提供聚合物隔膜,放入离子液体中浸泡12~24小时;
(2)电化学电容器的组装:选用2块上述制备方法制得的掺氮石墨烯电极分别作为正极和负极,将正极、经预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
在本发明实施例中,正极、负极与隔膜中均含有离子液体,可起电解液的 作用,因而本发明所述电化学电容器不需要额外添加电解液。
本发明所述电化学电容器直接采用石墨烯-离子液体复合材料作为电极,电导率高、电极内阻小,比容量大;同时以冷却凝固后的离子液体作为电解液,增加了电极中活性材料的比重,提高了电化学电容器的安全性。
实施例一
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:0.8称取天然石墨和氯化铁进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至460℃,保温反应2小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗一遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于80℃干燥6小时,得到纯净的氯化铁插层石墨;
(2)离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑溴盐(EtMeImBr),在烧杯中将其熔化得到1L的EtMeImBr溶剂,维持EtMeImBr溶剂的温度为150℃,在其中加入100g上述纯净的氯化铁插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为400W的超声仪中,保持EtMeImBr溶剂温度不变,超声剥离3小时,得到石墨烯、离子液体和氯化铁的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为200V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以3000r/min的转速离心5分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取20g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于150℃下进行加热,然后对模具盖恒定施加20MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供聚乙烯隔膜,放入离子液体EtMeImBr中浸泡12小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
实施例二
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:0.9称取人造石墨和氯化铜进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至500℃,保温反应3小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗两遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于90℃干燥5小时,得到纯净的氯化铜插层石墨;
(2)离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑氯盐(EtMeImCl),在烧杯中将其熔化得到10L的EtMeImCl溶剂,维持EtMeImCl溶剂的温度为180℃,在其中加入100g上述纯净的氯化铜插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为500W的超声仪中,保持EtMeImCl溶剂温度不变,超声剥离2小时,得到石墨烯、离子液体和氯化铜的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为100V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以4000r/min的转速离心2分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取30g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于180℃下进行加热,然后对模具盖恒定施加10MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯 隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供聚丙烯隔膜,放入离子液体EtMeImCl中浸泡12小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
实施例三
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:1.2称取天然石墨和氯化镍进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至480℃,保温反应6小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗一遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于100℃干燥4小时,得到纯净的氯化镍插层石墨;
(2)离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑碘盐(EtMeImI),在烧杯中将其熔化得到5L的EtMeImI溶剂,维持EtMeImI溶剂的温度为160℃,在其中加入100g上述纯净的氯化镍插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为600W的超声仪中,保持EtMeImI溶剂温度不变,超声剥离5小时,得到石墨烯、离子液体和氯化镍的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为500V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以2000r/min的转速离心1分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取50g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于160℃下进行加热,然后对模具盖恒定施加30MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制 备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供聚乙烯聚丙烯复合隔膜,放入离子液体EtMeImI中浸泡12小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
实施例四
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:1称取人造石墨和氯化钴进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至550℃,保温反应4小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗两遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于90℃干燥4.5小时,得到纯净的氯化钴插层石墨;
(2)离子液体选用1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐(1-Et-2,3-Me2ImCF3SO3),在烧杯中将其熔化得到2L的1-Et-2,3-Me2ImCF3SO3溶剂,维持1-Et-2,3-Me2ImCF3SO3溶剂的温度为200℃,在其中加入100g上述纯净的氯化钴插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为700W的超声仪中,保持1-Et-2,3-Me2ImCF3SO3溶剂温度不变,超声剥离1小时,得到石墨烯、离子液体和氯化钴的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为800V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以5000r/min的转速离心10分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取10g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于200℃下进行加热,然后对模具盖恒定施加20MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电 极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供无纺布隔膜,放入离子液体1-Et-2,3-Me2ImCF3SO3中浸泡24小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
实施例五
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:1.1称取天然石墨和氯化钾进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至520℃,保温反应5小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗一遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于85℃干燥5.5小时,得到纯净的氯化钾插层石墨;
(2)离子液体选用1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(1,2-Et2-3-MeImCF3SO3),在烧杯中将其熔化得到8L的1,2-Et2-3-MeImCF3SO3溶剂,维持1,2-Et2-3-MeImCF3SO3溶剂的温度为220℃,在其中加入100g上述纯净的氯化钾插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为800W的超声仪中,保持1,2-Et2-3-MeImCF3SO3溶剂温度不变,超声剥离0.5小时,得到石墨烯、离子液体和氯化钾的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为600V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以5000r/min的转速离心3分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取5g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于220℃下进行加热,然后对模具盖 恒定施加30MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供聚乙烯隔膜,放入离子液体1,2-Et2-3-MeImCF3SO3中浸泡12小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
实施例六
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:0.8称取人造石墨和氯化钙进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至530℃,保温反应2小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗两遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于95℃干燥6小时,得到纯净的氯化钙插层石墨;
(2)离子液体选用1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐(1,2-Me2-3-EtImBr),在烧杯中将其熔化得到6L的1,2-Me2-3-EtImBr溶剂,维持1,2-Me2-3-EtImBr溶剂的温度为250℃,在其中加入100g上述纯净的氯化钙插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为500W的超声仪中,保持1,2-Me2-3-EtImBr溶剂温度不变,超声剥离10小时,得到石墨烯、离子液体和氯化钙的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为400V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以1000r/min的转速离心8分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取25g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm 的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于250℃下进行加热,然后对模具盖恒定施加20MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供无纺布隔膜,放入离子液体1,2-Me2-3-EtImBr中浸泡12小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
实施例七
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:1.1称取天然石墨和氯化镁进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至490℃,保温反应3小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗一遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于90℃干燥4小时,得到纯净的氯化镁插层石墨;
(2)离子液体选用1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐(1,2-Me2-3-EtImCl),在烧杯中将其熔化得到4L的1,2-Me2-3-EtImCl溶剂,维持1,2-Me2-3-EtImCl溶剂的温度为280℃,在其中加入100g上述纯净的氯化镁插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为600W的超声仪中,保持1,2-Me2-3-EtImCl溶剂温度不变,超声剥离15小时,得到石墨烯、离子液体和氯化镁的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为1000V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以2000r/min的转速离心7分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取15g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于280℃下进行加热,然后对模具盖恒定施加30MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供聚乙烯聚丙烯复合隔膜,放入离子液体1,2-Me2-3-EtImCl中浸泡12小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
实施例八
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:1称取人造石墨和氯化铅进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至540℃,保温反应6小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗两遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于100℃干燥5小时,得到纯净的氯化铅插层石墨;
(2)离子液体选用1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐(1,2-Me2-3-EtImBF4),在烧杯中将其熔化得到3L的1,2-Me2-3-EtImBF4溶剂,维持1,2-Me2-3-EtImBF4溶剂的温度为300℃,在其中加入100g上述纯净的氯化铅插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为700W的超声仪中,保持1,2-Me2-3-EtImBF4溶剂温度不变,超声剥离20小时,得到石墨烯、离子液体和氯化铅的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为500V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以1500r/min的转速离心 6分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取40g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于300℃下进行加热,然后对模具盖恒定施加20MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供无纺布隔膜,放入离子液体1,2-Me2-3-EtImBF4中浸泡12小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
实施例九
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:0.9称取天然石墨和氯化锌进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至520℃,保温反应5小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗一遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于80℃干燥6小时,得到纯净的氯化锌插层石墨;
(2)离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑溴盐(EtMeImBr)和1-乙基-3-甲基咪唑氯盐(EtMeImCl)按质量比1:1形成的混合物(表示为EtMeImBr/EtMeImCl),在烧杯中将其熔化得到10L的离子液体,维持离子液体的温度为200℃,在其中加入100g上述纯净的氯化锌插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为400W的超声仪中,保持离子液体温度不变,超声剥离24小时,得到石墨烯、离子液体和氯化锌的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为700V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以2500r/min的转速离心2分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取30g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于200℃下进行加热,然后对模具盖恒定施加30MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供聚丙烯隔膜,放入离子液体EtMeImBr/EtMeImCl中浸泡12小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
实施例十
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:1.1称取人造石墨和氯化钡进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至550℃,保温反应4小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗两遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于90℃干燥4小时,得到纯净的氯化钡插层石墨;
(2)离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑氯盐(EtMeImCl),在烧杯中将其熔化得到1L的EtMeImCl溶剂,维持EtMeImCl溶剂的温度为210℃,在其中加入100g上述纯净的氯化钡插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为800W的超声仪中,保持EtMeImCl溶剂温度不变,超声剥离12小时,得到石墨烯、离子液 体和氯化钡的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为250V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以1000r/min的转速离心10分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取20g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于250℃下进行加热,然后对模具盖恒定施加20MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供无纺布隔膜,放入离子液体EtMeImCl中浸泡12小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
实施例十一
一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比1:0.6:0.6称取天然石墨、氯化铁和氯化铜进行混合,混合均匀后放入石英管中,密封石英管后将石英管放入高温炉中,升温至460℃,保温反应2小时,反应结束后冷却至室温,将反应物倒入去离子水中冲洗一遍,然后滤取滤渣放入真空干燥箱中于100℃干燥6小时,得到纯净的氯化物插层石墨;
(2)离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑碘盐(EtMeImI),在烧杯中将其熔化得到5L的EtMeImI溶剂,维持EtMeImI溶剂的温度为230℃,在其中加入100g 上述纯净的氯化物插层石墨,搅拌均匀后将烧杯放入功率为500W的超声仪中,保持EtMeImI溶剂温度不变,超声剥离2小时,得到石墨烯、离子液体、氯化铁和氯化铜的混合液;
(3)将混合液装入离心管中,并转移至高速离心机中,在离心机内施加电场强度为1000V/m,电场方向为竖直向上的恒定电场,以5000r/min的转速离心1分钟,然后除去上清液,即得到石墨烯-离子液体复合材料;
(4)取50g步骤(3)所制备的石墨烯-离子液体复合材料置于30mm*50mm的成型模具中,加上模具盖,并对成型模具于230℃下进行加热,然后对模具盖恒定施加30MPa的压力,直到模具盖不再往模具底部运动后,保持此压力直到冷却至室温,打开模具,取出模具里的复合材料,得到石墨烯-离子液体复合电极。
一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的聚乙烯隔膜,具体制备方案为:
(5)隔膜预处理:提供聚乙烯隔膜,放入离子液体EtMeImI中浸泡12小时;
(6)电化学电容器的组装:选用2块步骤(4)制得的石墨烯-离子液体复合电极分别作为正极和负极,将正极、步骤(5)预处理后的隔膜、负极按从上至下的顺序安装到电池壳体上,密封,得到电化学电容器。
效果实施例
以0.5A/g的电流密度对实施例一~十一所制得的电化学电容器进行充放电,测试其比电容(在一定电压下,单位重量电容器的电容量),测试结果如表1所示。
从表1可以看出,本发明所制备的电化学电容器的比电容(0.5A/g的电流密度下充放电时)最高可达217F/g。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,其特征在于,包括:
取氯化物插层石墨,按照固液比为1g:10~100mL的比例加入到熔融的离子液体中,以400~800W的功率超声剥离0.5~24小时,得到石墨烯、离子液体和氯化物的混合液;
将所述混合液置于电场强度为100~1000V/m、电场方向为竖直向上的环境中,离心处理1~10分钟后,除去上清液,得到石墨烯-离子液体复合材料;
将得到的石墨烯-离子液体复合材料置于成型模具中,然后对模具盖施加10~30MPa的压力,冷却至室温,固化,得到石墨烯-离子液体复合电极。
2.如权利要求1所述的石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,其特征在于,所述氯化物插层石墨采用如下步骤制得:取石墨和氯化物插层剂按质量比1:0.8~1.2进行混合,置于密闭的容器中以460~550℃热处理2~6小时,反应结束后冷却至室温,经清洗干燥后得到氯化物插层石墨。
3.如权利要求2所述的石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,其特征在于,所述石墨为天然磷片石墨或人造石墨。
4.如权利要求2所述的石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,其特征在于,所述氯化物插层剂为氯化铁、氯化镍、氯化铜、氯化钴、氯化钾、氯化镁、氯化铅、氯化锌、氯化钙和氯化钡中的至少一种。
5.如权利要求2所述的石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,其特征在于,所述清洗干燥的操作为:将反应物倒入去离子水中,滤取滤渣置于真空干燥箱中于80~100℃干燥4~6小时。
6.如权利要求1所述的石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,其特征在于,所述离子液体为凝胶状或凝固状的离子液体;所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐和1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。
7.如权利要求1所述的石墨烯-离子液体复合电极的制备方法,其特征在于,所述离子液体熔融时的熔融温度为150~300℃。
8.一种石墨烯-离子液体复合电极,其特征在于,所述复合电极是由权利要求1~7中任意一项所述制备方法制得的。
9.一种电化学电容器,包括正极、隔膜和负极,其特征在于,所述正极和负极为权利要求8所述的石墨烯-离子液体复合电极,所述隔膜为浸泡过离子液体的隔膜。
10.如权利要求9所述的电化学电容器,其特征在于,所述隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯聚丙烯复合隔膜和无纺布隔膜中的一种。
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Application publication date: 20140827 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |