CN105448540A - 一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法 - Google Patents

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赵东辉
李芳�
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Abstract

本发明公开一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，其特征在于：包括有如下步骤：1)氧化石墨烯/活性炭混合物的制备：将活性炭原料加入氧化石墨烯溶液中，超声条件下，在80℃～100℃反应1h～10h，反应结束后，得到混合物溶液；2)石墨烯/活性炭电极的制备：将1)得到的混合物溶液加入聚四氟乙烯容器中，再加入催化剂，密封后在80℃～200℃反应1h～10h，反应结束后用蒸馏水充分清洗，在80-100℃下干燥12-24h，得到高导电活性炭电极。本发明所制备的活性炭分散在石墨烯三维网络结构中，使用水热技术制备得到气凝胶结构，可进一步增加复合材料的比表面积，同时改善复合电极材料内部结构，形成大孔、介孔和微孔共存的分级孔结构，进一步提高电极材料的比电容性能。

Description

一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法
技术领域
本发明涉及电极领域技术，特别是提供一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法。
背景技术
超级电容器又叫双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动(尤其是在寒冷的冬季)、作为激光武器的脉冲能源。超级电容器的核心是电极材料的制备技术，其性能的好坏关键取决于电极材料性能的优劣。
已进入工业化生产的是活性炭，它具有低成本、高比表面积等优势。但是，活性炭比电容一般在200F/g以下，能量密度小于5wh/kg。这主要是因为活性炭材料导电性很差，在使用时需要加入高导电性物质如石墨、炭黑、碳纤维等以提高其导电性，降低电极内阻。这些导电材料在电极中的唯一作用就是增加活性炭颗粒之间的导电性，由于其比表面积很小，对整个电极的储能几乎没有贡献。导电材料的添加量一般为电极质量的10～20％。因此，导电材料的加入在很大程度上降低了超级电容器的性能。因此，优异导电性的电极材料是目前超级电容器电极材料研究的热点问题。中国专利ZL201310031445.1公开了一种活性炭/碳纳米管复合气凝胶电极材料的制备方法，以碳纤维布或石墨纸为集流体，以酚醛树脂为碳源，采用超临界干燥或者冷冻干燥的方法原位制备活性炭/碳纳米管复合气凝胶电极材料，该方法制得的电极材料在常温下比电容高达390F/g。但是超临界干燥需要高温高压等极限环境，对于设备要求高，生产成本高，而且碳纤维布和石墨纸集流体的体积对于比容量也没贡献。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，本发明的目的在于提供本发明的目的在于提供一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，其能有效增加复合材料的比表面积，同时改善复合电极材料内部结构，形成大孔、介孔和微孔共存的分级孔结构，进一步提高电极材料的比电容性能。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，包括有如下步骤：
1)氧化石墨烯/活性炭混合物的制备：
将活性炭原料加入氧化石墨烯溶液中，超声条件下，在80℃～100℃反应1h～10h，反应结束后，得到混合物溶液；
2)石墨烯/活性炭电极的制备：
将1)得到的混合物溶液加入聚四氟乙烯容器中，再加入催化剂，密封后在80℃～200℃反应1h～10h，反应结束后用蒸馏水充分清洗，在80-100℃下干燥12-24h，得到高导电活性炭电极，此时活性炭分布在石墨烯的三维泡沫结构中。
作为一种优选方案，所述催化剂的加入量为混合物溶液质量的5％-10％。
作为一种优选方案，步骤(1)中所述的氧化石墨烯溶液为HUMMERS法制备，其浓度0.1-3％。
作为一种优选方案，步骤(1)中所述的活性炭原料为木质活性炭和秸秆活性炭中的一种或两者的组合物。
作为一种优选方案，步骤(2)中所述的催化剂为无水乙醇、乙醇或者乙二醇的一种或多种。
作为一种优选方案，所述活性炭与氧化石墨烯的质量比为19-99：1。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体为：
1、本发明所制备的活性炭分散在石墨烯三维网络结构中，使用水热技术制备得到气凝胶结构，可进一步增加复合材料的比表面积，同时改善复合电极材料内部结构，形成大孔、介孔和微孔共存的分级孔结构，进一步提高电极材料的比电容性能。同时利用与石墨烯很好的结合，大大提高了极片本身的电导率，在制备出的电极中，石墨烯水热自组装形成的气凝胶结构可以充当集流体，从而省去将电极材料粉末涂在金属集流体上等工序，可以直接提高超级电容器能量/功率密度，降低系统等效内阻，提高系统安全可靠性。
2、该高导电活性炭材料的制备方法简单、可操作性强，适合大批量制备，其所用原料可以选取来源广泛的原料，具有非常广阔的应用前景。
具体实施方式
实施例1
一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，包括有如下步骤：
1)氧化石墨烯/活性炭混合物的制备：
将活性炭原料加入氧化石墨烯溶液中，活性炭与氧化石墨烯的质量比为19：1，超声条件下，在100℃反应1h，反应结束后，得到混合物溶液；其中，氧化石墨烯溶液为HUMMERS法制备，其浓度0.1％。该活性炭原料为木质活性炭和秸秆活性炭的组合物。
2)石墨烯/活性炭电极的制备：
将1)得到的混合物溶液加入聚四氟乙烯容器中，再加入催化剂，密封后在80℃℃反应10h，反应结束后用蒸馏水充分清洗，在80℃下干燥24h，得到高导电活性炭电极。该催化剂为无水乙醇，其加入量为混合物溶液质量的5％。
实施例2
一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，包括有如下步骤：
1)氧化石墨烯/活性炭混合物的制备：
将活性炭原料加入氧化石墨烯溶液中，活性炭与氧化石墨烯的质量比为99：1，超声条件下，在80℃反应10h，反应结束后，得到混合物溶液；其中，氧化石墨烯溶液为HUMMERS法制备，其浓度3％。该活性炭原料为秸秆活性炭。
2)石墨烯/活性炭电极的制备：
将1)得到的混合物溶液加入聚四氟乙烯容器中，再加入催化剂，密封后在200℃反应1h，反应结束后用蒸馏水充分清洗，在80℃下干燥12，得到高导电活性炭电极。该催化剂为无水乙醇，其加入量为混合物溶液质量的10％。
实施例3
一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，包括有如下步骤：
1)氧化石墨烯/活性炭混合物的制备：
将活性炭原料加入氧化石墨烯溶液中，活性炭与氧化石墨烯的质量比为49：1，超声条件下，在100℃反应6h，反应结束后，得到混合物溶液；其中，氧化石墨烯溶液为HUMMERS法制备，其浓度2％，该活性炭原料为木质活性炭。
2)石墨烯/活性炭电极的制备：
将1)得到的混合物溶液加入聚四氟乙烯容器中，再加入催化剂，密封后在130℃反应6h，反应结束后用蒸馏水充分清洗，在100℃下干燥14h，得到高导电活性炭电极。该催化剂为乙醇，其加入量为混合物溶液质量的8％。
实施例4
一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，包括有如下步骤：
1)氧化石墨烯/活性炭混合物的制备：
将活性炭原料加入氧化石墨烯溶液中，活性炭与氧化石墨烯的质量比为69：1，超声条件下，在90℃反应5h，反应结束后，得到混合物溶液；其中，氧化石墨烯溶液为HUMMERS法制备，其浓度1.6％。该活性炭原料为木质活性炭。
2)石墨烯/活性炭电极的制备：
将1)得到的混合物溶液加入聚四氟乙烯容器中，再加入催化剂，密封后在160℃反应6h，反应结束后用蒸馏水充分清洗，在90℃下干燥18h，得到高导电活性炭电极。该催化剂为乙二醇，其加入量为混合物溶液质量的7％。
对比例1：选用一种超级电容器电极材料-活性炭(KURARAY，YP-50F)，利用涂布技术将相同条件制备出的活性炭浆料直接涂布与铝箔上，得到没有石墨烯的活性炭超级电容器极片。涂布速度2m/s，极片厚度150μm。烘干温度100℃。极片的电导率测试采用四探针测试方法。
表1不同实施例和比较例中活性炭材料性能比较
实施例/对比例 电导率(S/cm) 比表面积(m2/g) KOH比容量(F/g)
实施例1 1600 2340 350
实施例2 1650 2280 360
实施例3 1680 2460 380
实施例4 1720 2480 410
对比例1 578 1600 50
见表1，采用本发明制备的样品其电导率高，远优于没有采用本发明的方法(电导率578)。本发明所制得活性炭电极结合了活性炭高比表面积和碳纳米管高导电性的优点，可以在电极充放电过程中充分利用两者结合后形成大孔、介孔和微孔共存的分级孔储存电荷，从而大大提高了材料的比表面积和比电容。
本发明的重点在于：本发明所制备的活性炭分散在石墨烯三维网络结构中，使用水热技术制备得到气凝胶结构，可进一步增加复合材料的比表面积，同时改善复合电极材料内部结构，形成大孔、介孔和微孔共存的分级孔结构，进一步提高电极材料的比电容性能。同时利用与石墨烯很好的结合，大大提高了极片本身的电导率，在混合电极中，石墨烯含量不超过3％，石墨烯水热自组装形成的气凝胶结构可以充当集流体作用，从而省去将电极材料粉末涂在金属集流体上等工序，可以直接提高超级电容器能量/功率密度，降低系统等效内阻，提高系统安全可靠性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同变化和修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，其特征在于：包括有如下步骤：
1)氧化石墨烯/活性炭混合物的制备：
将活性炭原料加入氧化石墨烯溶液中，超声条件下，在80℃～100℃反应1h～10h，反应结束后，得到混合物溶液；
2)石墨烯/活性炭电极的制备：
将1)得到的混合物溶液加入聚四氟乙烯容器中，再加入催化剂，密封后在80℃～200℃反应1h～10h，反应结束后用蒸馏水充分清洗，在80-100℃下干燥12-24h，得到高导电活性炭电极。
2.根据权利要求1所述一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，其特征在于：所述催化剂的加入量为混合物溶液质量的5％-10％。
3.根据权利要求1所述一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的氧化石墨烯溶液为HUMMERS法制备，其浓度0.1-3％。
4.根据权利要求1所述一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的活性炭原料为木质活性炭和秸秆活性炭中的一种或两者的组合物。
5.根据权利要求1所述一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的催化剂为无水乙醇、乙醇或者乙二醇的一种或多种。
6.根据权利要求1所述一种超级电容器高导电活性炭电极制备方法，其特征在于：所述活性炭与氧化石墨烯的质量比为19-99：1。
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