CN105185597B - 一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料，其由片状石墨烯与片状纳米金属和/或片状纳米金属合金、导电高分子复合得到的复合产物，导电高分子嵌入相邻的金属片层与石墨烯片层间；其制备方法将一定比例的膨胀石墨鳞片、金属和/或金属合金、导电高分子、可熔聚合物加入石墨烯剥离机中，真空状态下共磨10～16小时，制备得到片状石墨烯、片状纳米金属和/或片状纳米金属合金、呈颗粒状的高分子聚合物的混合粉体材料；将混合粉体材料在反应器中加压或抽真空，升温至所述可熔聚合物的熔点温度，保温2~4小时，再降至室温，即可得到该复合电极材料。其实施时可防止石墨烯团聚和堆积，提高石墨烯可利用表面积，具有高电化学性能。

Description

一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超级电容器电极材料及其制备方法，尤其是一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料及其制备方法。
背景技术
超级电容器（Supercapacitor）是近年来国内外发展起来的一种介于静电电容和化学电源之间的新型储能装置，它兼有静电电容器高的放电功率，同时具有类似于电池的高能量密度，具有对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性能高等特点，有广阔的应用前景。随着社会经济的发展以及人们对绿色能源和生态环境保护意识的进一步加强，超级电容器作为一种新型的储能器件，因为其具有一系列优越性，越来越受到人们的重视；人们热切期盼着具有更优性能的储能装置能够在生产、生活中尽早的被使用，这已成为学术界和工业界对电极材料进一步研究和开发的强大推动力。
超级电容器（又称电化学电容器）作为一种新型储能装置，由于具有功率密度高，充放电速率快，对环境无污染及良好的循环稳定性能等许多优点，在新能源系统中占有重要的地位。
超级电容器的性能主要取决于电极材料，目前，碳基材料(活性碳、碳纳米管、碳纤维、还原氧化石墨烯)，过渡金属氧化物和氢氧化物(RuO2，MnO2，Co(OH)2，NiO， Co3O4， Ni(OH)2)以及导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩)作为超级电容器电极材料而被广泛研究。然而，每一种电极材料应用于超级电容器时，在显现其优点的同时也暴露出一些不足或缺陷。例如金属氧化物导电性差、稳定性较差；还原氧化石墨烯弯曲漂浮，密度欠佳，影响导电效果，加之两种材料皆为氧化物，其官能团也不利于锂电循环；与其同时，石墨烯是一种二维结构的碳材料，其具有理想的单原子层厚度，理论比表面积高达2630 m2·g-1，且导电性和化学稳定性良好，被认为是理想的双电层电容器材料，但范德华力的存在使石墨烯易团聚，从而降低了石墨烯的比表面积和比容量。
发明内容
有鉴于此，本发明目的是提供一种可防止石墨烯团聚和堆积，提高石墨烯可利用表面积，具有高电化学性能的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料以及该电极材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料，其特征在于，该电极材料为由片状石墨烯与片状纳米金属和/或片状纳米金属合金、导电高分子复合得到的复合产物，导电高分子嵌入相邻的金属片层与石墨烯片层间。
优选地，上述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料，其中所述片状石墨烯的片厚小于100nm；所述片状纳米金属和/或所述片状纳米金属合金的片厚小于100nm。
优选地，上述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料，其中所述导电高分子呈颗粒状，平均粒度小于100nm。
优选地，上述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料，其中所述片状纳米金属为金、银、铜、铁、锡、锰、锌、铬、钒、镓、钌、铑、铈、钛、锂、钴、镍、铝、铅、镁、金属硅、锗、锑、铷、铟、铋中的任意一种或多种。
优选地，上述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料，其中所述片状纳米金属合金为铁基合金、锰基合金、铬基合金、铝基合金、铜基合金、锌基合金、锡基合金、镁基合金、镍基合金、钛基合金、铅基合金中的任意一种或多种。
优选地，上述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料，其中所述导电高分子为聚苯胺、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁、聚噻吩、聚对苯撑、聚乙炔中的任意一种或多种。
一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，特征在于，其包括如下步骤：
1）将一定比例的膨胀石墨鳞片、金属和/或金属合金、导电高分子、可熔聚合物加入石墨烯剥离机中，真空状态下共磨10～16小时，制备得到片状石墨烯、片状纳米金属和/或片状纳米金属合金、呈颗粒状的高分子聚合物的混合粉体材料；
2）将所述混合粉体材料在反应器中加压或抽真空，升温至所述可熔聚合物的熔点温度，保温2~4小时，再降至室温，即可得到该复合电极材料。
优选地，上述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其中所述可熔聚合物为聚丙烯、聚乙烯、三聚氰胺、聚酰胺、聚四氟乙烯、尼龙12、尼龙66中的任意一种或多种。
优选地，上述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其中所述步骤1）中所述片状石墨烯的片厚小于100nm；所述片状纳米金属和/或所述片状纳米金属合金的片厚小于100nm；所述高分子聚合物的平均粒度小于100nm。
较现有技术，本发明的技术效果主要体现在：本发明引入片状纳米金属和/或片状纳米金属合金与片状石墨烯进行复合，片状纳米金属层和/或片状纳米金属合金层与石墨烯片层间用导电高分子交联连结，可以使导电高分子嵌入相邻的金属片层与石墨烯片层间，有效阻止石墨烯片重新堆叠，使高的电荷容量得以保持从而弥补石墨烯作为超级电容器电极材料的不足，这种复合材料的合成既体现出比金属和合金本身更优越的性能，又可以很大程度上减少贵金属的使用，提高经济效益，而且二者协同增效，不仅可以保持超级电容器的高比功率，又增加了复合物电极的比容量和循环稳定性。
附图说明
图1为本发明采用的石墨烯剥离机运转时产生的蹭切、冲击、高能球磨动作及运动轨迹示意图。
图2为本发明采用石墨烯剥离机制备的石墨烯与金属、导电高分子、可熔聚合物共磨后混合粉体样品电镜图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。
一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料，其特点是该电极材料为由片状石墨烯与片状纳米金属和/或片状纳米金属合金、导电高分子复合得到的复合产物，导电高分子嵌入相邻的金属片层与石墨烯片层间。
其中片状石墨烯的片厚小于100nm；片状纳米金属和/或片状纳米金属合金的片厚小于100nm；导电高分子呈颗粒状，平均粒度小于100nm。
具体地，其中片状纳米金属为金、银、铜、铁、锡、锰、锌、铬、钒、镓、钌、铑、铈、钛、锂、钴、镍、铝、铅、镁、金属硅、锗、锑、铷、铟、铋中的任意一种或多种；片状纳米金属合金为铁基合金、锰基合金、铬基合金、铝基合金、铜基合金、锌基合金、锡基合金、镁基合金、镍基合金、钛基合金、铅基合金中的任意一种或多种；导电高分子为聚苯胺、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁、聚噻吩、聚对苯撑、聚乙炔中的任意一种或多种。
上述的石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，包括如下步骤：
1）将一定比例的膨胀石墨鳞片、金属和/或金属合金、导电高分子、可熔聚合物加入石墨烯剥离机中，真空状态下共磨10～16小时，制备得到片状石墨烯、片状纳米金属和/或片状纳米金属合金、呈颗粒状的高分子聚合物的混合粉体材料；其片状石墨烯的片厚小于100nm；片状纳米金属和/或片状纳米金属合金的片厚小于100nm；高分子聚合物的平均粒度小于100nm。
2）将所述混合粉体材料在反应器中加压或抽真空，升温至所述可熔聚合物的熔点温度，保温2~4小时，再降至室温，即可得到该复合电极材料。
其中，可熔聚合物为聚丙烯、聚乙烯、三聚氰胺、聚酰胺、聚四氟乙烯、尼龙12、尼龙66中的任意一种或多种。
另外，如图1所示，上述石墨烯剥离机采用的中国专利201420455925.0，名称为一轴多筒多维球锤式微纳米高能球磨机，其是发明人受到硬币落地多角连动的力学原理启发，成功地将多边角连动的圆盘上安装了多个磨罐完成了多维球锤式球磨动作，完善了多维无死角的高能球磨工作，其冲击速度、冲击力、冲击线路都前所未有。通过这种超传统速度、超冲击力度，不但能剥离石墨烯，而且能制备各种纳米金属片、纳米合金片。其蹭切力能使片状金属表面形成更多缺陷，形成更多空穴。
我们采用偏心轴持续了硬币落地的多维多角连动，把“硬币”大圆盘上装上横向的磨罐，偏心轴及偏心轴支撑系统同步转动时带动圆盘及罐体上下、左右、前后有规律的多维摆动，猛烈地多维蹭切、冲击，每分钟500～1000次，蹭切冲击力是传统球磨机的几十倍。通过8~12小时的蹭切，将石墨烯一层层的活剥下来，这就是石墨烯剥离机，也可制备片状金属与合金。大机型可宏量生产石墨烯及金属及合金片，片的厚度为1～100纳米。采用该石墨烯剥离机制备的石墨烯与金属、导电高分子、可熔聚合物共磨后混合粉体样品电镜图如图2所示。
上述技术方案引入片状纳米金属和/或片状纳米金属合金与片状石墨烯进行复合，片状纳米金属层和/或片状纳米金属合金层与石墨烯片层间用导电高分子交联连结，可以使导电高分子嵌入相邻的金属片层与石墨烯片层间，有效阻止石墨烯片重新堆叠，使高的电荷容量得以保持从而弥补石墨烯作为超级电容器电极材料的不足，这种复合材料的合成既体现出比金属和合金本身更优越的性能，又可以很大程度上减少贵金属的使用，提高经济效益，而且二者协同增效，不仅可以保持超级电容器的高比功率，又增加了复合物电极的比容量和循环稳定性。
〖实施例1〗
第一步：取高纯膨胀石墨0.25kg，铜粉0.25kg，聚苯胺0.1kg，聚四氟乙烯0.2kg，装入石墨烯剥离机磨罐加201不锈钢球16kg，密封，抽真空，夹套循环水温控35℃，转数600次/分，冲击蹭切球磨12小时，取下磨罐，在真空手套箱内取出球料，分筛得到共磨粉体。其中金属片与石墨烯片厚度均在100纳米以下，聚合物的粒径也在100纳米以下。
第二步：将共磨粉体放入真空干燥箱中抽真空0.08~0.1mpa，升温至330℃，保温2小时，然后停止抽真空并开启放气阀，可直接打开干燥箱接触空气，得到纳米结构的石墨烯金属复合电极。
实验数据显示：在1A·g-1的电流密度下比电容可达1015F·g-1。
〖实施例2〗
第一步：取一种锡焊用合金粉末（微米级，其中含铜5%，含锑3%，含铋3.5%，含银2%，余量为锡）0.25kg，高纯膨胀石墨0.25kg，聚苯胺0.1kg，尼龙66 0.2kg，装入石墨烯剥离机磨罐，加210不锈钢球16kg，密封，抽真空0.1mpa，夹套循环水冷温控在35℃左右，转速600次/分，冲击蹭切球磨12小时，取下磨罐，在真空手套箱内取出球料，分筛得到共磨粉体。金属片与石墨烯片厚度在100纳米以下，聚合物粒径也在100纳米以下。
第二步：将共磨粉体放入真空干燥箱内，抽真空0.08~0.1mpa，升温至260℃，保温2小时，停止抽真空并开启放气阀，取出，得到纳米结构的超级电容器电极。
实验数据显示：在1A·g-1的电流密度下比电容可达1325F·g-1。
当然，以上所述仅本发明典型应用的示例性说明，通过对相同或相似技术特征的组合与替换，可以形成多种具体方案，这些方案均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯金属复合物超级电容器电极材料为由片状石墨烯与片状纳米金属和/或片状纳米金属合金、导电高分子复合得到的复合产物，导电高分子嵌入相邻的金属片层与石墨烯片层间；
石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其包括如下步骤：
1)将一定比例的膨胀石墨鳞片、金属和/或金属合金、导电高分子、可熔聚合物加入石墨烯剥离机中，真空状态下共磨10～16小时，制备得到片状石墨烯、片状纳米金属和/或片状纳米金属合金、呈颗粒状的高分子聚合物的混合粉体材料；
2)将所述混合粉体材料在反应器中加压或抽真空，升温至所述可熔聚合物的熔点温度，保温2～4小时，再降至室温，即可得到石墨烯金属复合物超级电容器电极材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述片状石墨烯的片厚小于100nm；所述片状纳米金属和/或所述片状纳米金属合金的片厚小于100nm。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述导电高分子呈颗粒状，平均粒度小于100nm。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述片状纳米金属为金、银、铜、铁、锡、锰、锌、铬、钒、镓、钌、铑、铈、钛、锂、钴、镍、铝、铅、镁、金属硅、锗、锑、铷、铟、铋中的任意一种或多种。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述片状纳米金属合金为铁基合金、锰基合金、铬基合金、铝基合金、铜基合金、锌基合金、锡基合金、镁基合金、镍基合金、钛基合金、铅基合金中的任意一种或多种。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述导电高分子为聚苯胺、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁、聚噻吩、聚对苯撑、聚乙炔中的任意一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述可熔聚合物为聚丙烯、聚乙烯、三聚氰胺、聚酰胺、聚四氟乙烯、尼龙12、尼龙66中的任意一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合物超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中所述片状石墨烯的片厚小于100nm：所述片状纳米金属和/或所述片状纳米金属合金的片厚小于100nm：所述高分子聚合物的平均粒度小于100nm。
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