CN106935412A - 一种Sr/石墨烯复合材料、其制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锶/石墨烯复合材料，包括锶化合物和石墨烯，所述锶化合物选自氢氧化锶或硫化锶。本发明以水热法制备的锶/石墨烯复合材料作为超级电容器电极材料，不仅具有良好的电化学性能，而且具有较高的比电容和较长的循环寿命。实验结果表明，本发明使用水热法制备的锶/石墨烯复合材料制成的超级电容器电极材料其比电容可以达到10～1500F/g；在恒流充放电3000次后，比电容仍然保持98.5％以上。
Description
技术领域
本发明属于超级电容器技术领域，尤其涉及一种Sr/石墨烯复合材料、其制备方法及其应用。
背景技术
随着经济迅猛发展，能源短缺以及环境污染等问题也随之出现。电化学超级电容器简称超级电容器，作为一种新型的储能装置在电力系统中具有广阔的应用前景。作为新型储能元件，超级电容器兼具蓄电池能量密度大和电解电容器功率密度大的优点，循环寿命长、储能效率高、充放电速度快、高低温性能好、环境友好，具有卓越的储能潜力。
电极材料是决定超级电容器性能的最重要的因素，当前商用的超级电容器以高比表面积的碳材料为主，这种材料主要基于双电层原理储存电能，具有极高的循环寿命，但是电容量和能量密度相对较低，距离实际应用的要求还有一定的距离。因此如何提高电极材料的电容量是当前超级电容器研究领域的一个关键问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Sr/石墨烯复合材料、其制备方法及其应用，本发明提供的Sr/石墨烯复合材料用作超级电容器电极时电化学性能优异，具有较高的比电容量和较长的循环寿命。
本发明提供了一种锶/石墨烯复合材料，包括锶化合物和石墨烯，所述锶化合物选自氢氧化锶或硫化锶。
在一个具体实施例中，所述锶化合物和石墨烯的质量比为1∶10～20。
本发明还提供了一种锶/石墨烯复合材料的制备方法，包括：
将锶化合物与石墨烯混合研磨，加入水搅拌均匀后进行水热反应，得到锶/石墨烯复合材料；
所述锶化合物选自氢氧化锶或硫化锶。
在一个实施例中，所述水热反应的温度为100～300℃，所述水热反应的时间为12～24h。
在另一个实施例中，所述锶化合物和石墨烯的质量比为1∶10～20，优选为1∶13～15。
具体而言，所述制备方法包括：
首先将锶化合物粉末与石墨烯混合研磨，研磨速率为500～800r/min，研磨时间为0.5～2h；研磨后加入去离子水进行搅拌，搅拌速率为1000～3000r/min；搅拌均匀后将得到的混合物移入水热反应釜进行水热反应，反应结束后，将反应产物洗涤干燥，即可得到锶/石墨烯复合材料。其中，洗涤具体为利用无水乙醇和去离子水分别清洗2～5次。
上述技术方案所述的锶/石墨烯复合材料可以作为超级电容器电极材料，具有良好的电化学性能。
本发明还提供了一种超级电容器电极，包括泡沫镍和复合在所述泡沫镍上的电极材料，所述电极材料包括导电聚合物、粘合剂和上述技术方案所述的锶/石墨烯复合材料。
在一个实施例中，所述导电聚合物为聚苯胺，所述粘合剂为聚四氟乙烯。
具体而言，所述超级电容器电极可以按照以下方法制备：
用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
将锶/石墨烯复合材料、导电聚合物和粘合剂混合均匀，加入无水乙醇搅拌混合均匀，得到电极浆料；
利用涂覆机将电极浆料均匀的涂覆在已经清洗干净的泡沫镍上，放入加热箱中，干燥、切片、压片后，得到电极片。
具体而言，所述泡沫镍薄片的规格为：长×宽×高：(20～5cm)×(30～5cm)×(0.10～0.6cm)。锶/石墨烯复合材料、导电聚合物和粘合剂为的质量比为4∶1∶1～8∶1∶1。搅拌速率为1000～3000r/min，时间为0.5h～1h。干燥温度为100～200℃，干燥时间为5～8h。电极片的直径为1cm，厚为0.1cm。
本发明还提供了一种超级电容器，包括上述技术方案所述的超级电容器电极。
本发明以水热法制备的锶/石墨烯复合材料作为超级电容器电极材料，不仅具有良好的电化学性能，而且具有较高的比电容和较长的循环寿命。实验结果表明，本发明使用水热法制备的锶/石墨烯复合材料制成的超级电容器电极材料其比电容可以达到10～1500F/g；在恒流充放电3000次后，比电容仍然保持98.5％以上。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的电极片的横流充放电图。
具体实施方式
以下实施例中，导电聚合物为聚苯胺，粘合剂为聚四氟乙烯。
实施例1
(1)将质量比例为15∶1的石墨烯和氢氧化锶固体粉末混合后，用研磨机以800r/min的速率研磨1h；研磨完成后，加入50ml的去离子水，用搅拌机搅拌0.5h后，放入水热反应釜里，在300℃下烘烤12h，待反应结束后，洗涤干燥后备用；
(2)用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
(3)用电子天平称取1.580g步骤(1)得到的锶/石墨烯复合材料；
(4)用电子天平称取0.197g导电聚合物和等质量的粘合剂；
(5)将步骤(3)与步骤(4)得到的三种物质混合均匀后，加入无水乙醇，用搅拌机搅拌0.5h，使其混合均匀后，备用；
(6)利用涂覆机将步骤(5)得到的液体均匀涂覆在由步骤(2)已经清洗干净的泡沫镍上；
(7)将步骤(6)得到的涂覆有活性物质、导电剂，粘合剂的泡沫镍放入加热箱中，100℃干燥8h，烘干后备用；
(8)将步骤(7)制备的泡沫镍切片、压片，制成直径为1cm，厚为0.1cm的电极片。
对本发明制备的电极片进行性能测试，结果参见图1，图1为本发明实施例1提供的电极片的横流充放电图。由图1可知，本发明提供的复合材料具有良好的电化学性能。
该电极片在6mol/L KOH溶液中，1A/g电流密度下，比电容达380F/g。循环3000次后，比电容保持率为99.7％。
实施例2
(1)将质量比例为10∶1的石墨烯与氢氧化锶固体粉末混合后，用研磨机以800r/min的速率研磨2h，研磨完成后，加入50ml的去离子水，用搅拌机搅拌1h后，放入水热反应釜里，在100℃下烘烤24h，待反应结束后，洗涤干燥后备用；
(2)用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
(3)用电子天平称取2.550g步骤(1)得到的锶/石墨烯复合材料；
(4)用电子天平称取0.637g导电聚合物和等质量的粘合剂；
(5)将步骤(3)与步骤(4)得到的三种物质混合均匀后，加入无水乙醇，用搅拌机搅拌1h，使其混合均匀后，备用；
(6)利用涂覆机将步骤(5)得到的液体均匀涂覆在由步骤(2)已经清洗干净的泡沫镍上；
(7)将步骤(6)得到的涂覆有活性物质、导电剂，粘合剂的泡沫镍放入加热箱中，120℃干燥12h，烘干后备用；
(8)将步骤(7)制备的泡沫镍切片、压片，制成直径为1cm，厚为0.1cm的电极片。
该电极片在6mol/L KOH溶液中，1A/g电流密度下，比电容达189F/g。循环3000次后，比电容保持率为98.8％。
实施例3
(1)将质量比例为12∶1的石墨烯与氢氧化锶固体粉末混合后，用研磨机以1000r/min的速率研磨0.5h，在研磨完成后，加入55ml的去离子水，用搅拌机搅拌1h后，放入水热反应釜里，在100℃下烘烤24h，待反应结束后，洗涤干燥后备用；
(2)用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
(3)用电子天平称取2.048g步骤(1)得到的锶/石墨烯复合材料；
(4)用电子天平称取0.409g导电聚合物和等质量的粘合剂；
(5)将步骤(3)与步骤(4)得到的三种物质混合均匀后，加入无水乙醇，用搅拌机搅拌1h，使其混合均匀后，备用；
(6)利用涂覆机将步骤(5)得到的液体均匀涂覆在由步骤(2)已经清洗干净的泡沫镍上；
(7)将步骤(6)得到的涂覆有活性物质、导电剂，粘合剂的泡沫镍放入加热箱中，110℃干燥6h，烘干后备用；
(8)将步骤(7)制备的泡沫镍切片、压片，制成直径为1cm，厚为0.1cm的电极片。
该电极片在6mol/L KOH溶液中，1A/g电流密度下，比电容达755F/g。循环3000次后，比电容保持率为98.5％。
实施例4
(1)将质量比例为16∶1的石墨烯与氢氧化锶固体粉末混合后，用研磨机以850r/min的速率研磨1h，在研磨完成后，加入60ml的去离子水，用搅拌机搅拌1h后，放入水热反应釜里，在150℃下烘烤24h，待反应结束后，洗涤干燥后备用；
(2)用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
(3)用电子天平称取1.846g步骤(1)得到的锶/石墨烯复合材料；
(4)用电子天平称取0.307g导电聚合物和等质量的粘合剂；
(5)将步骤(3)与步骤(4)得到的三种物质混合均匀后，加入无水乙醇，用搅拌机搅拌0.5h，使其混合均匀后，备用；
(6)利用涂覆机将步骤(5)得到的液体均匀的涂覆在由步骤(2)已经清洗干净的泡沫镍上；
(7)将步骤(6)得到的涂覆有活性物质、导电剂，粘合剂的泡沫镍放入加热箱中，120℃干燥6h，烘干后备用；
(8)将步骤(7)制备的泡沫镍切片、压片，制成直径为1cm，厚为0.1cm的电极片。
该电极片在6mol/L KOH溶液中，1A/g电流密度下，比电容达1055F/g。循环3000次后，比电容保持率为99.1％。
实施例5
(1)将质量比例为20∶1的石墨烯与氢氧化锶固体粉末混合后，用研磨机以1000r/min的速率研磨2h，在研磨完成后，加入70ml的去离子水，用搅拌机搅拌2h后，放入水热反应釜里，在300℃下烘烤24h，待反应结束后，洗涤干燥后备用；
(2)用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
(3)用电子天平称取1.563g步骤(1)得到的锶/石墨烯复合材料；
(4)用电子天平称取0.195g导电聚合物和等质量的粘合剂；
(5)将步骤(3)与步骤(4)得到的三种物质混合均匀后，加入无水乙醇，用搅拌机搅拌0.5h，使其混合均匀后，备用；
(6)利用涂覆机将步骤(5)得到的液体均匀涂覆在由步骤(2)已经清洗干净的泡沫镍上；
(7)将步骤(6)得到的涂覆有活性物质、导电剂，粘合剂的泡沫镍放入加热箱中，120℃干燥8h，烘干后备用；
(8)将步骤(7)制备的泡沫镍切片、压片，制成直径为1cm，厚为0.1cm的电极片。
该电极片在6mol/L KOH溶液中，1A/g电流密度下，比电容达1500F/g。循环3000次后，比电容保持率为98.5％。
实施例6
(1)将质量比例为20∶1的石墨烯与硫化锶固体粉末混合后，用研磨机以800r/min的速率研磨1.5h，在研磨完成后，加入50ml的去离子水，用搅拌机搅拌1h后，放入水热反应釜里，在200℃下烘烤24h，待反应结束后，洗涤干燥后备用；
(2)用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
(3)用电子天平称取1.795g步骤(1)得到的锶/石墨烯复合材料；
(4)用电子天平称取0.256g导电聚合物和等质量的粘合剂；
(5)将步骤(3)与步骤(4)得到的三种物质混合均匀后，加入无水乙醇，用搅拌机搅拌0.5h，使其混合均匀后，备用；
(6)利用涂覆机将步骤(5)得到的液体均匀的涂覆在由步骤(2)已经清洗干净的泡沫镍上；
(7)将步骤(6)得到的涂覆有活性物质、导电剂，粘合剂的泡沫镍放入加热箱中，150℃干燥5h，烘干后备用；
(8)将步骤(7)制备的泡沫镍切片、压片，制成直径为1cm，厚为0.1cm的电极片。
该电极片在6mol/L KOH溶液中，1A/g电流密度下，比电容达576F/g。循环3000次后，比电容保持率为98.6％。
实施例7
(1)将质量比例为17∶1的石墨烯与硫化锶固体粉末混合后，用研磨机以900r/min的速率研磨1.5h，在研磨完成后，加入50ml的去离子水，用搅拌机搅拌0.5h后，放入水热反应釜里，在250℃下烘烤15h，待反应结束后，洗涤干燥后备用；
(2)用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
(3)用电子天平称取1.459g步骤(1)得到的锶/石墨烯复合材料；
(4)用电子天平称取0.291g导电聚合物和等质量的粘合剂；
(5)将步骤(3)与步骤(4)得到的三种物质混合均匀后，加入无水乙醇，用搅拌机搅拌1h，使其混合均匀后，备用；
(6)利用涂覆机将步骤(5)得到的液体均匀的涂覆在由步骤(2)已经清洗干净的泡沫镍上；
(7)将步骤(6)得到的涂覆有活性物质、导电剂，粘合剂的泡沫镍放入加热箱中，180℃干燥6h，烘干后备用；
(8)将步骤(7)制备的泡沫镍切片、压片，制成直径为1cm，厚为0.1cm的电极片。
该电极片在6mol/L KOH溶液中，1A/g电流密度下，比电容达253F/g。循环3000次后，比电容保持率为99.5％。
实施例8
(1)将质量比例为15∶1的石墨烯与硫化锶固体粉末混合后，用研磨机以950r/min的速率研磨0.5h，在研磨完成后，加入55ml的去离子水，用搅拌机搅拌1h后，放入水热反应釜里，在300℃下烘烤15h，待反应结束后，洗涤干燥后备用；
(2)用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
(3)用电子天平称取1.572g步骤(1)得到的锶/石墨烯复合材料；
(4)用电子天平称取0.262g导电聚合物和等质量的粘合剂；
(5)将步骤(3)与步骤(4)得到的三种物质混合均匀后，加入无水乙醇，用搅拌机搅拌0.5h，使其混合均匀后，备用；
(6)利用涂覆机将步骤(5)得到的液体均匀的涂覆在由步骤(2)已经清洗干净的泡沫镍上；
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(8)将步骤(7)制备的泡沫镍切片、压片，制成直径为1cm，厚为0.1cm的电极片。
该电极片在6mol/L KOH溶液中，1A/g电流密度下，比电容达293F/g。循环3000次后，比电容保持率为99.2％。
实施例9
(1)将质量比例为13∶1的石墨烯与硫化锶固体粉末混合后，用研磨机以1000r/min的速率研磨0.5h，在研磨完成后，加入60ml的去离子水，用搅拌机搅拌0.5h后，放入水热反应釜里，在100℃下烘烤18h，待反应结束后，洗涤干燥后备用；
(2)用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
(3)用电子天平称取2.381g步骤(1)得到的锶/石墨烯复合材料；
(4)用电子天平称取0.595g导电聚合物和等质量的粘合剂；
(5)将步骤(3)与步骤(4)得到的三种物质混合均匀后，加入无水乙醇，用搅拌机搅拌1h，使其混合均匀后，备用；
(6)利用涂覆机将步骤(5)得到的液体均匀的涂覆在由步骤(2)已经清洗干净的泡沫镍上；
(7)将步骤(6)得到的涂覆有活性物质、导电剂，粘合剂的泡沫镍放入加热箱中，200℃干燥7h，烘干后备用；
(8)将步骤(7)制备的泡沫镍切片、压片，制成直径为1cm，厚为0.1cm的电极片。
该电极片在6mol/L KOH溶液中，1A/g电流密度下，比电容达95F/g。循环3000次后，比电容保持率为98.9％。
实施例10
(1)将质量比例为10∶1的石墨烯与硫化锶固体粉末混合后，用研磨机以1000r/min的速率研磨1h，在研磨完成后，加入65ml的去离子水，用搅拌机搅拌1h后，放入水热反应釜里，在300℃下烘烤24h，待反应结束后，洗涤干燥后备用；
(2)用无水乙醇、去离子水、HCl溶液清洗泡沫镍薄片后，用去离子水将泡沫镍薄片清洗干净后，备用；
(3)用电子天平称取2.058g步骤(1)得到的锶/石墨烯复合材料；
(4)用电子天平称取0.257g导电聚合物和等质量的粘合剂；
(5)将步骤(3)与步骤(4)得到的三种物质混合均匀后，加入无水乙醇，用搅拌机搅拌1h，使其混合均匀后，备用；
(6)利用涂覆机将步骤(5)得到的液体均匀的涂覆在由步骤(2)已经清洗干净的泡沫镍上；
(7)将步骤(6)得到的涂覆有活性物质、导电剂，粘合剂的泡沫镍放入加热箱中，120℃干燥12h，烘干后备用；
(8)将步骤(7)制备的泡沫镍切片、压片，制成直径为1cm，厚为0.1cm的电极片。
该电极片在6mol/L KOH溶液中，1A/g电流密度下，比电容达306F/g。循环3000次后，比电容保持率为98.7％。
以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种锶/石墨烯复合材料，包括锶化合物和石墨烯，所述锶化合物选自氢氧化锶或硫化锶。
2.根据权利要求1所述的锶/石墨烯复合材料，其特征在于，所述锶化合物和石墨烯的质量比为1∶10～20。
3.一种锶/石墨烯复合材料的制备方法，包括：
将锶化合物与石墨烯混合研磨，加入水搅拌均匀后进行水热反应，得到锶/石墨烯复合材料；
所述锶化合物选自氢氧化锶或硫化锶。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为100～300℃，所述水热反应的时间为12～24h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述锶化合物和石墨烯的质量比为1∶10～20。
6.权利要求1或2所述的锶/石墨烯复合材料作为超级电容器电极材料的应用。
7.一种超级电容器电极，包括泡沫镍和复合在所述泡沫镍上的电极材料，所述电极材料包括导电聚合物、粘合剂和权利要求1或2所述的锶/石墨烯复合材料。
8.根据权利要求7所述的超级电容器电极，其特征在于，所述导电聚合物为聚苯胺，所述粘合剂为聚四氟乙烯。
9.一种超级电容器，包括权利要求7或8所述的超级电容器电极。
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