CN105761948B - 石墨烯超级电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化铝负载型石墨烯的制备方法，并提供了一种使用所述氧化铝负载型石墨烯为电极活性材料的石墨烯超级电容器，包括：金属壳体，其具有一开口端和一封闭端，所述封闭端开设有多个凹槽，所述封闭端向外延伸设置有极柱；多个电极体，其分别容置在所述金属壳体的容纳腔内，相邻两个电极体分别作为正极电极体和负极电极体，每个电极体包括集电极以及涂覆在所述集电极表面上的胶粘剂和氧化铝负载型石墨烯，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯的质量百分比分别为1％～5％和95％～99％，且胶粘剂和氧化铝负载型石墨烯的涂覆厚度为5～50μm。本发明提供的石墨烯超级电容器具有可逆容量大、制造成本低且工艺简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯超级电容器。更具体地说，本发明涉及一种石墨烯超级电容器。
背景技术
超级电容器作为储能元件，其性能介于电化学电池和传统电容之间。具有充放电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，其根据机理分为双层电容器、赝电容器和混合电容器。
石墨烯独特的二维结构和出色的物理特性，使其在超级电容器中的应用具有极大地潜力。与传统德尔多孔碳材料相比，石墨烯具有非常高的导电性，大的比表面积及大量的层间构造，从而成为双电层电容器较有前景的电极材料的选择。但是石墨烯在制备过程中容易发生堆叠，影响石墨烯材料在电解质中的分散性和表面可浸润性，降低了石墨烯材料的有效比表面积和电导率。因此，避免石墨烯堆叠是制备高能量密度和高功率密度石墨烯超级电容器的技术难题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明设计开发了一种石墨烯超级电容器，该石墨烯超级电容器在100mA/g的充放电电流密度下，首次可逆容量为1600mAh/g，且经过30次循环后，可逆容量仍可达1500mAh/g。
本发明还有一个目的是提供的石墨烯超级电容器能够解决极板和壳体焊接工艺复杂的问题，以及解决因焊接位置不准确而影响石墨烯超级电容器的性能的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种氧化铝负载型石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、采用Hummers法制备氧化石墨烯粉末，将所述氧化石墨烯粉末在H2气氛下以及一定的温度下还原制备石墨烯；
步骤二、将硝酸铝溶解在一定质量的水中，得硝酸铝溶液，按照所述石墨烯和所述硝酸铝的质量比为100：0.1～10的比例关系，向所述硝酸铝溶液中加入所述石墨烯，并调节pH值至7.5，搅拌均匀后置于高压反应釜中进行水热反应，所述水热反应的反应温度为180～200℃，反应时间为4～10h；
步骤三、对高压反应釜中的产物进行过滤洗涤及烘干，得到氧化铝负载型石墨烯。
使用上述制备的氧化铝负载型石墨烯为电极活性材料，本发明提供了一种石墨烯超级电容器，包括：
金属壳体，其具有一开口端和一封闭端，所述封闭端开设有多个凹槽，所述封闭端向外延伸设置有极柱；
多个电极体，其分别容置在所述金属壳体的容纳腔内，所述多个电极体依次排列，并且相邻两个电极体分别作为正极电极体和负极电极体，每个电极体包括集电极以及涂覆在所述集电极表面上的胶粘剂和氧化铝负载型石墨烯，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯的质量百分比分别为1％～5％和95％～99％，且所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯在所述集电极表面的涂覆厚度为5～50μm，其中，所述胶粘剂为热固性环氧树脂胶粘剂；
电解液，其填充在所述金属壳体的容纳腔内，所述电解液中的电解质为四氟硼酸四乙基铵。
通过水热法，将氧化铝和石墨烯复合在一起，形成氧化铝负载型石墨烯，由于石墨烯是片层结构，氧化铝填充在两个片层之间，可有效地阻止石墨烯的团聚，由于氧化铝负载型石墨烯中氧化铝的占有率较少，因此不仅不会减小石墨烯的比表面积，反而会增大电解质在电极体上的浸渍面积，从而提高了石墨烯超级电容器的可逆容量。
优选的是，其中，还包括：
正极引线，其与所述正极电极体的一端电连接，且延伸出所述开口端；
负极引线，其与所述负极电极体的一端电连接，且延伸出所述开口端；以及
极板，其容置在所述金属壳体的容纳腔内，且位于所述金属壳体的封闭端，所述极板的其中一个板面与所述正极电极体和所述负极电极体的另一端连接，所述极板的另一个板面设置有多个凸起，所述多个凸起嵌入所述多个凹槽，通过所述极板固定在所述金属壳体上，使得所述多个电极板与所述极柱电连接。
通过多个凸起与多个凹槽的配合，实现了电极板与极柱的连接，解决了现有技术中的极板与金属壳体的封闭端焊接在一起造成的焊接工艺复杂及焊接位置不准确而影响石墨烯超级电容器的性能的问题。
优选的是，其中，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯的质量百分比分别为4％和96％。胶粘剂的含量会严重地影响氧化铝负载型石墨烯在集电极上的附着时间，胶粘剂的含量太多，会影响超级电容器的可逆容量，胶粘剂的含量太少，会造成电极活性材料的短时间脱落现象。
优选的是，其中，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯在所述集电极表面的涂覆厚度为5～20μm。
优选的是，其中，在所述正极电极体中，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯在所述集电极表面的涂覆厚度为5～9μm。
优选的是，其中，在所述负极电极体中，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯在所述集电极表面的涂覆厚度为15～20μm。
优选的是，其中，所述集电极为腐蚀铝箔。
优选的是，其中，每个正极电极体和每个负极电极体之间设置有多孔隔膜。
优选的是，其中，所述多个凸起在所述极板上的排布密度为5～10个/cm3。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的石墨烯超级电容器是以氧化铝负载型石墨烯为电极活性材料，并通过胶粘剂附着在集电极上，形成电极体，该石墨烯超级电容器具备较大的可逆容量，经试验表明，在100mA/g的充放电电流密度下，首次可逆容量为1600mAh/g，且经过30次循环后，可逆容量仍可达1500mAh/g。
2、本发明提供的石墨烯超级电容器能够解决极板和壳体焊接工艺复杂的问题，以及解决因焊接位置不准确而影响石墨烯超级电容器的性能的问题。
3、本发明提供的石墨烯超级电容器具有多个电极体，这在一定程度上增加了电解质在电极板上的浸渍面积，大大提高了石墨烯超级电容器的性能。
4、本发明提供的石墨烯超级电容器结构简单，制备成本低且工艺简单，适合工艺推广。
附图说明
图1为本发明的其中一个实施例中所述的石墨烯超级电容器的结构示意图。
图2为本发明的其中一个实施例中所述的石墨烯超级电容器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供了一种氧化铝负载型石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、采用Hummers法制备氧化石墨烯粉末，将所述氧化石墨烯粉末在H2气氛下以及一定的温度下还原制备石墨烯；例如，还原温度为700～1000℃；
步骤二、将硝酸铝溶解在一定质量的水中，得硝酸铝溶液，按照所述石墨烯和所述硝酸铝的质量比为100：0.1～10的比例关系，向所述硝酸铝溶液中加入所述石墨烯，并调节pH值至7.5，搅拌均匀后置于高压反应釜中进行水热反应，所述水热反应的反应温度为180～200℃，反应时间为4～10h；例如，所述比例关系为100:0.5或者100:1或者100:5；例如，所述水热温度为190℃，或者197℃。
步骤三、对高压反应釜中的产物进行过滤洗涤及烘干，得到氧化铝负载型石墨烯。
其中，所述Hummers制备氧化石墨烯粉末，具体为：
在冰水浴中装配好250mL的反应瓶，加入适量的浓硫酸，搅拌下加入2g石墨粉和1g硝酸钠的固体混合物，再分次加入6g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃，搅拌反应一段时间，然后升温到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入一定量的去离子水，续拌20min后，并加入适量双氧水还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色。趁热过滤，并用5％HCl溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止。最后将滤饼置于60℃的真空干燥箱中充分干燥，制得氧化石墨烯粉末。
使用上述制备的氧化铝负载型石墨烯为电极活性材料，如图1和图2所示，本发明提供了一种石墨烯超级电容器，包括：
金属壳体1，其具有一开口端和一封闭端，所述封闭端开设有多个凹槽，所述封闭端向外延伸设置有极柱；
多个电极体2，其分别容置在所述金属壳体的容纳腔内，所述多个电极体依次排列，并且相邻两个电极体分别作为正极电极体和负极电极体，每个电极体包括集电极210以及涂覆在所述集电极210表面上的胶粘剂220和氧化铝负载型石墨烯230，所述胶粘剂220和所述氧化铝负载型石墨烯230的质量百分比分别为1％～5％和95％～99％，且所述胶粘剂220和所述氧化铝负载型石墨烯230在所述集电极210表面的涂覆厚度为5～50μm，其中，所述胶粘剂220为热固性环氧树脂胶粘剂；
电解液3，其填充在所述金属壳体1的容纳腔内，所述电解液3中的电解质为四氟硼酸四乙基铵。
通过水热法，将氧化铝和石墨烯复合在一起，形成氧化铝负载型石墨烯，由于石墨烯是片层结构，氧化铝填充在两个片层之间，可有效地阻止石墨烯的团聚，由于氧化铝负载型石墨烯中氧化铝的占有率较少，因此不仅不会减小石墨烯的比表面积，反而会增大电解质在电极体上的浸渍面积，从而提高了石墨烯超级电容器的可逆容量。
如图1所示，本发明提供的石墨烯超级电容器还包括：
正极引线4，其与所述正极电极体的一端电连接，且延伸出所述开口端；
负极引线5，其与所述负极电极体的一端电连接，且延伸出所述开口端；以及
极板6，其容置在所述金属壳体1的容纳腔内，且位于所述金属壳体1的封闭端，所述极板的其中一个板面与所述正极电极体和所述负极电极体的另一端连接，所述极板的另一个板面设置有多个凸起，所述多个凸起嵌入所述多个凹槽，通过所述极板6固定在所述金属壳体1上，使得所述多个电极板2与所述极柱的电连接。例如，所述多个凸起在所述极板上的排布密度为5～10个/cm3。通过多个凸起与多个凹槽的配合，实现了电极板与极柱的连接，解决了现有技术中的极板与金属壳体的封闭端焊接在一起造成的焊接工艺复杂及焊接位置不准确而影响石墨烯超级电容器的性能的问题。经试验表明，该石墨烯超级电容器在100mA/g的充放电电流密度下，首次可逆容量为1600mAh/g，且经过30次循环后，可逆容量仍可达1500mAh/g。
在其中一个实施例中，所述胶粘剂220和所述氧化铝负载型石墨烯230的质量百分比分别为4％和96％。胶粘剂的含量会严重地影响氧化铝负载型石墨烯在集电极上的附着时间，胶粘剂的含量太多，会影响超级电容器的可逆容量，胶粘剂的含量太少，会造成电极活性材料的短时间脱落现象。
在其中一个实施例中，所述胶粘剂220和所述氧化铝负载型石墨烯230在所述集电极表面的涂覆厚度为5～20μm。
在其中一个实施例中，在所述正极电极体中，所述胶粘剂220和所述氧化铝负载型石墨烯230在所述集电极210表面的涂覆厚度为5～9μm。
在其中一个实施例中，在所述负极电极体中，所述胶粘剂220和所述氧化铝负载型石墨烯230在所述集电极210表面的涂覆厚度为15～20μm。通过控制胶粘剂220和氧化铝负载型石墨烯230在正极电极体和负极电极体的涂覆厚度，能够抑制在超级电容器多次的充放电循环过程中，正极电极体和负极电极体产生电压偏差的现象，这在一定程度上大大提高了石墨烯超级电容器的使用寿命。
在其中一个实施例中，所述集电极210为腐蚀铝箔。腐蚀铝箔能够增加胶粘剂和氧化铝负载型石墨烯在集电极上的附着时间，且提高了电解质在电极体上的浸渍面积。
在其中一个实施例中，每个正极电极体和每个负极电极体之间设置有多孔隔膜7。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种石墨烯超级电容器，其特征在于，包括：
金属壳体，其具有一开口端和一封闭端，所述封闭端开设有多个凹槽，所述封闭端向外延伸设置有极柱；
多个电极体，其分别容置在所述金属壳体的容纳腔内，所述多个电极体依次排列，并且相邻两个电极体分别作为正极电极体和负极电极体，每个电极体包括集电极以及涂覆在所述集电极表面上的胶粘剂和氧化铝负载型石墨烯，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯的质量百分比分别为1％～5％和95％～99％，且所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯在所述集电极表面的涂覆厚度为5～50μm，其中，所述胶粘剂为热固性环氧树脂胶粘剂；
电解液，其填充在所述金属壳体的容纳腔内，所述电解液中的电解质为四氟硼酸四乙基铵；
其中，所述氧化铝负载型石墨烯的制备方法为：
步骤一、采用Hummers法制备氧化石墨烯粉末，将所述氧化石墨烯粉末在H2气氛下以及一定的温度下还原制备石墨烯；
步骤二、将硝酸铝溶解在一定质量的水中，得硝酸铝溶液，按照所述石墨烯和所述硝酸铝的质量比为100：0.1～10的比例关系，向所述硝酸铝溶液中加入所述石墨烯，并调节pH值至7.5，搅拌均匀后置于高压反应釜中进行水热反应，所述水热反应的反应温度为180～200℃，反应时间为4～10h；
步骤三、对高压反应釜中的产物进行过滤洗涤及烘干，得到氧化铝负载型石墨烯。
2.如权利要求1所述的石墨烯超级电容器，其特征在于，还包括：
正极引线，其与所述正极电极体的一端电连接，且延伸出所述开口端；
负极引线，其与所述负极电极体的一端电连接，且延伸出所述开口端；以及
极板，其容置在所述金属壳体的容纳腔内，且位于所述金属壳体的封闭端，所述极板的其中一个板面与所述正极电极体和所述负极电极体的另一端连接，所述极板的另一个板面设置有多个凸起，所述多个凸起嵌入所述多个凹槽，通过所述极板固定在所述金属壳体上，使得所述多个电极体与所述极柱电连接。
3.如权利要求1所述的石墨烯超级电容器，其特征在于，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯的质量百分比分别为4％和96％。
4.如权利要求1所述的石墨烯超级电容器，其特征在于，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯在所述集电极表面的涂覆厚度为5～20μm。
5.如权利要求4所述的石墨烯超级电容器，其特征在于，在所述正极电极体中，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯在所述集电极表面的涂覆厚度为5～9μm。
6.如权利要求4所述的石墨烯超级电容器，其特征在于，在所述负极电极体中，所述胶粘剂和所述氧化铝负载型石墨烯在所述集电极表面的涂覆厚度为15～20μm。
7.如权利要求1所述的石墨烯超级电容器，其特征在于，所述集电极为腐蚀铝箔。
8.如权利要求1所述的石墨烯超级电容器，其特征在于，每个正极电极体和每个负极电极体之间设置有多孔隔膜。
9.如权利要求2所述的石墨烯超级电容器，其特征在于，所述多个凸起在所述极板上的排布密度为5～10个/cm3。
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Denomination of invention: Graphene supercapacitor Effective date of registration: 20210701 Granted publication date: 20181026 Pledgee: Chaoyang science and technology Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: LIAONING BROTHER ELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021210000041 |