CN105977047A - 一种石墨烯/活性炭复合电极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石墨烯/活性炭复合电极材料，其包括活性炭颗粒、石墨烯以及聚合物粘结剂，所述石墨烯均匀分布于所述活性炭颗粒的表面，所述石墨烯占所述石墨烯/活性炭复合电极材料的质量分数为0.5％～10％，所述石墨烯与活性炭颗粒的质量比为1:1～1:20。本发明还提供一种石墨烯/活性炭复合电极材料的制备方法。

Description

一种石墨烯/活性炭复合电极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯/活性炭复合电极材料及其制备方法。
背景技术
超级电容器，又称为电化学电容器，是一种基于电极材料来储存电荷的储能器件。超级电容器具有能量密度高、功率密度高、使用寿命长、充放电速度快、适用范围广等特点，因而广泛应用于工业、军工及民用等领域。超级电容器中的电极材料一般选用具有高比表面积、化学性质稳定、导电性良好的材料，如以活性炭和碳纤维为代表的碳基电极材料。碳基电极材料具有价格低廉、易于加工、电化学稳定性好、易控制孔隙率等优点。
石墨烯是具有一个碳原子厚度的二维材料，其具有特殊的蜂巢晶格结构形态。石墨烯具有很高的的比表面积、优良的导电性和和化学稳定性，是超级电容器的理想材料。在超级电容器中，石墨烯可以提供较大的表面供电荷的储存，实现双电层电容，可作为载体通过负载一些电化学活性材料，而实现赝电容效应。因此，石墨烯在储能方面具有广阔的应用前景。
然而，随着活性炭比表面积的增大，导电率减小，影响双电子层充放电性能。石墨烯作为电极材料其所能达到的体积比电容较低，这阻碍了其在实际中的应用中的问题。目前国内外研究石墨烯/活性炭复合电极材料，仅限于采用化学还原方式将两者复合，工艺较为复杂，要求苛刻。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种石墨烯/活性炭复合电极材料及其制备方法，以解决现有技术中的问题。
本发明提供一种石墨烯/活性炭复合电极材料，其包括活性炭颗粒、石墨烯以及聚合物粘结剂，所述石墨烯均匀分布于所述活性炭颗粒的表面，所述石墨烯占所述石墨烯/活性炭复合电极材料的质量分数为0.5％～10％，所述石墨烯与活性炭颗粒的质量比为1:1～1:20。
优选的，所述石墨烯占所述石墨烯/活性炭复合电极材料的质量分数为2％～8％。
优选的，所述石墨烯与活性炭颗粒的质量比为1:12。
优选的，所述聚合物粘结剂的质量与所述石墨烯和活性炭颗粒的总质量的比例为6:1～10:1，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～1000mPa·s。
优选的，所述聚合物粘结剂的质量与所述石墨烯和活性炭颗粒的总质量的比例为8:1，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～800mPa·s。
优选的，所述聚合物粘结剂为聚四氟乙烯乳液、丁苯橡胶乳液、羧甲基纤维素、聚苯胺乳液中的至少一种。
本发明还提供一种上述任一项石墨烯/活性炭复合电极材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将石墨烯和活性炭颗粒加入一极性有机溶剂中，并经超声分散处理，得到第一混合物，其中所述石墨烯和活性炭颗粒的总质量与所述极性有机溶剂的体积的比例为(20g～30g):100mL，所述第一混合物中石墨烯均匀分布于所述活性炭颗粒的表面；
(2)将所述第一混合物的极性有机溶剂除去，得到第二混合物；
(3)向所述第二混合物加入聚合物粘结剂并混合，得到所述石墨烯/活性炭复合电极材料，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～1000mPa·s。
优选的，步骤(1)中所述极性有机溶剂为丁醇、异丙醇、乙二醇甲醚中的至少一种。
优选的，步骤(1)中所述超声分散处理的时间为30分钟～60分钟。
优选的，其特征在于，步骤(3)中所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～800mPa·s。
本发明所述石墨烯/活性炭复合电极材料具有以下优点：第一，通过加入石墨烯，所述石墨烯均匀分布于所述活性炭颗粒的表面，石墨烯具有高比表面积，因而增加了复合材料的整体储能密度，而且由于石墨烯的导电性优异，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的导电性能也得到了增强；第二，由于石墨烯具有强度高，柔韧性好的特点，因而采用石墨烯也可提高所述石墨烯/活性炭复合电极材料的涂膜机械性能；第三，通过添加聚合物粘结剂，可增加了所述石墨烯/活性炭复合电极材料与铜箔之间的附着力。
所述石墨烯/活性炭复合电极材料的制备方法具有以下优点：该方法仅采用物理的方法，具有制备简单、对设备以及操作者要求低、生产成本低、生产效率高等特点，易于实现工业化量产。
具体实施方式
下面将对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种石墨烯/活性炭复合电极材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将石墨烯和活性炭颗粒加入一极性有机溶剂中，并经超声分散处理，得到第一混合物，其中所述石墨烯和活性炭颗粒的总质量与所述极性有机溶剂的体积的比例为(20g～30g):100mL，所述第一混合物中石墨烯均匀分布于所述活性炭颗粒的表面；
(2)将所述第一混合物的极性有机溶剂除去，得到第二混合物；
(3)向所述第二混合物加入聚合物粘结剂并混合，得到所述石墨烯/活性炭复合电极材料，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～1000mPa·s。
在步骤(1)中，所述极性有机溶剂为丁醇、异丙醇、乙二醇甲醚中的至少一种。所述极性有机溶剂在较低的温度下，具有较好的挥发性。
所述石墨烯与活性炭颗粒的质量比为1:1～1:20。优选的，所述石墨烯与活性炭颗粒的质量比为1:12。
所述超声分散处理的目的在于，当用足够大振幅的超声波作用于极性有机溶剂时，极性有机溶剂中分子间的平均距离拉大会超过使极性有机溶剂分子之间保持不变的临界分子距离，此时极性有机溶剂分子就会发生断裂，形成微泡；这些微泡迅速胀大和闭合，会使石墨烯和活性炭微粒之间发生猛烈的撞击作用而最终使得石墨烯均匀分布于所述活性炭颗粒的表面。所述超声分散处理的时间为30分钟～60分钟，优选为30分钟～40分钟。
在步骤(2)中，将所述第一混合物的极性有机溶剂除去的手段具体为：将所述第一混合物进行减压闪蒸以将所述极性有机溶剂去除。
在步骤(3)中，所述聚合物粘结剂的作用为提高所述石墨烯/活性炭复合电极材料的粘附力，以便在制备电极的过程中提高所述石墨烯/活性炭复合电极材料与铜箔的结合力。
所述聚合物粘结剂的质量与所述石墨烯和活性炭颗粒的总质量的比例为6:1～10:1。所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～1000mPa·s。优选的，所述聚合物粘结剂的质量与所述石墨烯和活性炭颗粒的总质量的比例为8:1，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～800mPa·s。
所述聚合物粘结剂为聚四氟乙烯乳液、丁苯橡胶乳液、羧甲基纤维素、聚苯胺乳液中的至少一种。
本发明还提供一种石墨烯/活性炭复合电极材料。所述石墨烯/活性炭复合电极材料包括活性炭颗粒、石墨烯以及聚合物粘结剂。所述石墨烯均匀分布于所述活性炭颗粒的表面。所述石墨烯占所述石墨烯/活性炭复合电极材料的质量分数为0.5％～10％。所述石墨烯与活性炭颗粒的质量比为1:1～1:20。
优选的，所述石墨烯占所述石墨烯/活性炭复合电极材料的质量分数为2％～8％。所述石墨烯与活性炭颗粒的质量比为1:12。
进一步的，可将所述石墨烯/活性炭复合电极材料利用涂膜机涂布在铜箔上，然后烘干处理，得到涂布复合电极。最后将该涂布复合电极经过辊压机的碾压得到增密的石墨烯/活性炭复合电极。
本发明所述石墨烯/活性炭复合电极材料具有以下优点：第一，通过加入石墨烯，所述石墨烯均匀分布于所述活性炭颗粒的表面，石墨烯具有高比表面积，因而增加了复合材料的整体储能密度，而且由于石墨烯的导电性优异，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的导电性能也得到了增强；第二，由于石墨烯具有强度高，柔韧性好的特点，因而采用石墨烯也可提高所述石墨烯/活性炭复合电极材料的涂膜机械性能；第三，通过添加聚合物粘结剂，可增加了所述石墨烯/活性炭复合电极材料与铜箔之间的附着力。
所述石墨烯/活性炭复合电极材料的制备方法具有以下优点：该方法仅采用物理的方法，具有制备简单、对设备以及操作者要求低、生产成本低、生产效率高等特点，易于实现工业化量产。
下面结合具体实施例对本发明所述石墨烯/活性炭复合电极材料及其制备方法进行说明：
实施例1
将950g活性炭颗粒和50g石墨烯加入到烧杯中进行混合，然后加入4Kg异丙醇在超声波下进行分散，使石墨烯均匀分散在活性炭颗粒表面，超声时间为30min，得到第一混合物。
将所述第一混合物减压闪蒸以除去异丙醇，得到第二混合物。
向所述第二混合物加入加入4Kg丁苯橡胶乳液和4Kg羧甲基纤维素，混合均匀后得到所述石墨烯/活性炭复合电极材料，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度达到约1000mpa.s。
进一步的，将所述石墨烯/活性炭复合电极材料利用涂膜机涂布在铜箔上，然后进行烘干处理，得到涂布复合电极。最后将该涂布复合电极经过辊压机的碾压得到增密的石墨烯/活性炭复合电极。
对该得到的石墨烯/活性炭复合电极，进行性能测试。所述石墨烯/活性炭复合电极的额定工作电压为2.8V，0.2C放电时的质量能量密度≥20Wh/kg，功率密度≥8KW/kg。
实施例2
将910g活性炭颗粒和90g石墨烯加入到烧杯中进行混合，然后加入4Kg丁酮在超声波下进行分散，使石墨烯均匀分散在活性炭颗粒表面，超声时间为40min，得到第一混合物。
将所述第一混合物减压闪蒸以除去丁酮，得到第二混合物。
向所述第二混合物加入加入8Kg聚四氟乙烯乳液，混合均匀后得到所述石墨烯/活性炭复合电极材料，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度达到约900mpa.s。
进一步的，将所述石墨烯/活性炭复合电极材料利用涂膜机涂布在铜箔上，然后进行烘干处理，得到涂布复合电极。最后将该涂布复合电极经过辊压机的碾压得到增密的石墨烯/活性炭复合电极。
实施例3
将600g活性炭颗粒和400g石墨烯加入到烧杯中进行混合，然后加入4Kg乙二醇甲醚在超声波下进行分散，使石墨烯均匀分散在活性炭颗粒表面，超声时间为60min，得到第一混合物。
将所述第一混合物减压闪蒸以除去乙二醇甲醚，得到第二混合物。
向所述第二混合物加入加入9Kg聚四氟乙烯乳液，混合均匀后得到所述石墨烯/活性炭复合电极材料，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度达到约600mpa.s。
进一步的，将所述石墨烯/活性炭复合电极材料利用涂膜机涂布在铜箔上，然后进行烘干处理，得到涂布复合电极。最后将该涂布复合电极经过辊压机的碾压得到增密的石墨烯/活性炭复合电极。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯/活性炭复合电极材料，其特征在于，其包括活性炭颗粒、石墨烯以及聚合物粘结剂，所述石墨烯均匀分布于所述活性炭颗粒的表面，所述石墨烯占所述石墨烯/活性炭复合电极材料的质量分数为0.5％～10％，所述石墨烯与活性炭颗粒的质量比为1:1～1:20。
2.一种如权利要求1所述的石墨烯/活性炭复合电极材料，其特征在于，所述石墨烯占所述石墨烯/活性炭复合电极材料的质量分数为2％～8％。
3.一种如权利要求1所述的石墨烯/活性炭复合电极材料，其特征在于，所述石墨烯与活性炭颗粒的质量比为1:12。
4.一种如权利要求1所述的石墨烯/活性炭复合电极材料，其特征在于，所述聚合物粘结剂的质量与所述石墨烯和活性炭颗粒的总质量的比例为6:1～10:1，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～1000mPa·s。
5.一种如权利要求1所述的石墨烯/活性炭复合电极材料，其特征在于，所述聚合物粘结剂的质量与所述石墨烯和活性炭颗粒的总质量的比例为8:1，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～800mPa·s。
6.一种如权利要求1所述的石墨烯/活性炭复合电极材料，其特征在于，所述聚合物粘结剂为聚四氟乙烯乳液、丁苯橡胶乳液、羧甲基纤维素、聚苯胺乳液中的至少一种。
7.一种如权利要求1～6所述石墨烯/活性炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)将石墨烯和活性炭颗粒加入一极性有机溶剂中，并经超声分散处理，得到第一混合物，其中所述石墨烯和活性炭颗粒的总质量与所述极性有机溶剂的体积的比例为(20g～30g):100mL，所述第一混合物中石墨烯均匀分布于所述活性炭颗粒的表面；
(2)将所述第一混合物的极性有机溶剂除去，得到第二混合物；
(3)向所述第二混合物加入聚合物粘结剂并混合，得到所述石墨烯/活性炭复合电极材料，所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～1000mPa·s。
8.一种如权利要求7所述的石墨烯/活性炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述极性有机溶剂为丁醇、异丙醇、乙二醇甲醚中的至少一种。
9.一种如权利要求7所述的石墨烯/活性炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述超声分散处理的时间为30分钟～60分钟。
10.一种如权利要求7所述的石墨烯/活性炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述石墨烯/活性炭复合电极材料的黏度为600mPa·s～800mPa·s。
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