CN107464699A - 一种石墨烯/五氧化二钒正极电极片及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法，其五氧化二钒/石墨烯的原料采用的五氧化二钒粉末与石墨烯的质量比为95~99：1~5；所述石墨烯粉末的元素组成为C含量97.78wt%、N含量0.96wt%和O含量1.26wt%；石墨烯的片层粒径为238nm、片层厚度为1.87nm；此种配比制备的复合材料用于电极片能够较大程度地提升原材料产品性能，大倍率循环性能佳，实用性强。本发明公开的石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备，通过最佳的工艺调整，得出性能优良的产品；其制备方法简单，易于生产，制备得到的电极片产品性能稳定，尤其应用于超级电容器领域。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯复合材料，更具体地，涉及一种石墨烯/五氧化二钒正极电极片及其制备方法和应用。
背景技术
石墨烯是由单层sp2杂化碳原子组成的六方蜂巢状二维结构物质，自2004 年首次报道独立存在以来，在力学、热学、电学、光学等方面的优异性能，使之成为近年来化学、材料科学及物理学领域的研究热点。近来，石墨烯在作为锂离子电池的电极材料方面也激发了极大地研究兴趣，以石墨烯、不同含氧官能团的石墨烯衍生物如氧化石墨和还原氧化石墨等作为不同金属和金属氧化物纳米结构物质生长的2D基底，并以此作为电极材料的大量工作已被开展，并取得了一定的进展。
五氧化二钒具有二维层状结构，属三斜方晶系，在这种结构中，V处于由5 个。原子所包围的一个畸变了的四方棱锥体中的中间，V原子与5个O原子形成5个V-O键，因此五氧化二钒结构可以看作VO4四面体单元通过桥氧结合为链状，链与链之间通过双键氧与下一条链上的V作用构成锯齿的层状排列结构，从结构上看，分子或原子嵌入五氧化二钒，拉大了层间距离，从而削弱了五氧化二钒层对Li+的静电作用，同时Li+与嵌入物之间具有较好的相容性，使其能较好的脱嵌。五氧化二钒电化学嵌/脱锂离子的电位窗口为4.0～1.5V(vs.Li/Li+)，每个五氧化二钒最多能够嵌入3个Li+，且其理论放电容量可达442mAh/g，因此我们预计正极材料五氧化二钒可满足下一代锂离子电池能量密度高和比容量大的需求。
自从Whittingham在1975年首次报道锂离子能可逆地嵌入到五氧化二钒中，人们已对五氧化二钒的电化学性质进行了大量的研究，发现它电子导电率低 (10-2～10-3S/cm)和锂离子扩散系数小(10-12～10-13cm2/s)等问题，这些限制了五氧化二钒在实际应用中的放电容量和倍率性能。为克服五氧化二钒存在的问题，人们研究采取了多种改性措施和方法，这主要包括制备纳米结构的五氧化二钒和掺杂导电好的活性碳材料。
但石墨烯/五氧化二钒正极电极片作为锂离子电池正极材料也存在一些问题：石墨烯产品适用于与微结构为颗粒状材料进行复合；而石墨烯产品与片层状材料进行复合得到的材料性能不好，石墨烯/五氧化二钒材料的制备过程中，不能够提高五氧化二钒材料导电性的同时提升其材料的能量密度。五氧化二钒制备的五氧化二钒复合材料不能能够较大程度地提升原材料产品性能。现有的石墨烯/五氧化二钒正极电极片的大倍率循环性能不佳，实用性不够。
发明内容
本发明的要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，针对超级电容器领域，提供一种石墨烯/五氧化二钒正极电极片，所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片，通过对石墨烯和五氧化二钒的原料的比例的优化和工艺，制得石墨烯/五氧化二钒材料；公开了使用该材料制备电极片的制备方法，通过工艺的调整，制备出石墨烯/五氧化二钒正极电极片；石墨烯/五氧化二钒材料的制备过程中，既能够提高V2O5材料导电性，同时也能提升复合材料的能量密度。所述电极片的能够较大程度地提升原材料产品性能，大倍率循环性能佳，实用性强。
本发明还提供一种采用上述方法制备得到石墨烯/五氧化二钒正极电极片。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
提供石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法，包括如下步骤：
S1.以石墨烯/五氧化二钒为原料，进行低温干燥处理，所述低温干燥的时间为6～8h，温度为50～80℃；得到石墨烯/五氧化二钒粉体；
S2.将步骤S1制备得到的石墨烯/五氧化二钒作为正极活性材料，与乙炔黑和粘合剂以质量比为80:10:10进行研磨，研磨时间为1～3h，研磨充分；
S3.加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，继续研磨至均匀粘稠状，得到浆料；
S4.将步骤S3得到浆料均匀涂在铜箔中，采用真空干燥，所述真空干燥温度为60～90℃，恒温时间10～16h；除去电极片中的N-甲基吡咯烷酮得到电极片；
S5.将步骤S4中的电极片冲成直径为16mm的圆片；
其中，步骤S1中五氧化二钒与石墨烯的质量比为95～99：1～5；所述石墨烯粉末的元素组成为C含量97.78wt％、N含量0.96wt％和O含量1.26wt％；与电导率呈正相关性的碳氧质量比为77.6，石墨烯的片层粒径为238nm、片层厚度为1.87nm；所述石墨烯粉末为膨胀系数为200～300倍的膨胀石墨制备得到。
其中，步骤S1中所述石墨烯粉末的元素种类为97.78wt％的C、0.96wt％的N和1.26wt％的O，与电导率呈正相关性的碳氧质量比为77.6，石墨烯的片层粒径为238nm、片层厚度为1.87nm；所述石墨烯粉末的片层粒径为1～5μm、片层厚度为1.87nm。
进一步地，步骤S1中所述低温干燥的时间为7～8h，温度为60～80℃。
进一步地，步骤S2中粘合剂为聚偏氟乙烯或羧甲基纤维素的任意一种。
进一步地，步骤S3中所述N-甲基吡咯烷酮溶剂的加入量为所述石墨烯/五氧化二钒、乙炔黑和粘合剂总质量的6～10Wt％。
进一步地，步骤S4中所述真空干燥采用真空干燥箱；所述真空干燥温度为 70～80℃，恒温时间12h～15h。
进一步地，步骤S4涂在铜箔所述浆料的厚度为10～80μm。
进一步地，所述石墨烯/五氧化二钒包括如下步骤包括：
Y1.在60～80℃恒温水浴搅拌的条件下将五氧化二钒粉体和石墨烯粉末加入到去离子水一中，得到黑褐色液体，在磁力搅拌条件下添加双氧水，并持续反应15～20min后，继续添加的去离子水二，并在超声条件下反应30～150min，得到粘稠凝胶液体，即五氧化二矾溶胶；
Y2.将石墨烯加入步骤S1所得的五氧化二钒溶胶中，充分搅拌后，通过超声波细胞粉碎机进行超声分散，所述超声分散的输出功率为30～40KHz，超声分散的时间为30～150min，使得所述石墨烯粉末均匀分散于所述五氧化二钒溶胶内；制备得到所述五氧化二钒/石墨烯复合材料；
所述五氧化二钒粉体和石墨烯粉末的总质量与去离子水一和去离子水二的总质量的质量比为1：100～300；所述去离子水一与去离子水二的质量比为1:1；所述双氧水与石墨烯的质量比为1～2:1；所述步骤Y1的磁力搅拌的速度为 500～1500r/min，步骤Y2所述搅拌的速度为500～1500r/min；所述磁场变换频率为100～3000r/min，磁感应强度为0.1～1.0T。
本发明的另一目的在于，提供一种上述方法制备得到的石墨烯/五氧化二钒复合材料正极电极片。
本发明的另一目的在于，提供一种所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的石墨烯/五氧化二钒正极电极片，针对片层状石墨烯原料，通过对制备工艺的调整，制备过程中，石墨烯能够在提升极片容量的同时，较大程度的提升电极片电导率，提升极片中活性物之间的电子传输速率，本发明制备的石墨烯/五氧化二钒正极电极片能有效改善五氧化二钒材料的大倍率循环性能。
石墨烯/五氧化二钒正极电极片在充放电循环过程中，发生氧化还原反应的极化程度小，即复合五氧化二钒能够有效降低五氧化二钒正极材料的极化程度，提升循环效率。
本发明的石墨烯/五氧化二钒正极电极片制备方法简单，易于生产，制备得到的电极片产品性能稳定，尤其应用于超级电容器领域，实用性强。
附图说明
图1实施例1的石墨烯XPS测试图谱。
图2实施例1的石墨烯SEM表征图谱。
图3实施例1的石墨烯TEM表征图谱，(a)为片层分布图，(b)为片层边缘放大图。
图4实施例1的石墨烯AFM表征图谱。
图5实施例1的石墨烯的Raman测试图谱。
图6实施例6的石墨烯/五氧化二钒复合材料及五氧化二钒材料的XRD图谱。
图7实施例6的石墨烯/五氧化二钒复合材料及五氧化二钒材料的Raman测试图谱。
图8实施例6的石墨烯/五氧化二钒复合材料和五氧化二钒的充放电倍率性能比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。以下实施例仅为示意性实施例，并不构成对本发明的不当限定，本发明可以由发明内容限定和覆盖的多种不同方式实施。除非特别说明，本发明采用的试剂、化合物和设备为本技术领域常规试剂、化合物和设备。
为了选择更加适用于石墨烯制备的原材料，本发明通过膨胀法将其制备成膨胀系数为200～300倍的膨胀石墨，以此种膨胀石墨为原材料，对石墨烯材料进行制备，制备得到的石墨烯的元素组成为C含量97.78wt％、N含量0.96wt％、 O含量1.26％；所述石墨烯粉末的片层粒径为238nm、片层厚度为1.87nm；通过大量的实验及生产的经验总结，得到适用于制备复合材料的石墨烯材料的结构。
本发明选用膨胀倍数较常见的200～300倍的膨胀石墨制备的石墨烯产品，制备得到的石墨烯进行原子力显微镜测试，可初步推算石墨烯的片层数为1～5 层(单层石墨烯的厚度为0.334nm)。从图4中的片层粒径分布直方图中可以看出该样品中的片层厚度主要分布在1～3.5nm范围(95.84％)，仅有4.16的样品片层厚度>3.5nm。这表明该石墨烯片层数主要分布在1～10层，但样品中也存在少量片层数大于10层的类石墨烯产品。从图3中可以看出五氧化二钒的片径大小为20～50μm，远大于石墨烯的片径(为1～5μm)，所以在五氧化二钒/石墨烯复合材料样品中，小片径的石墨烯主要是以片层吸附的方式在大片径五氧化二钒表面进行物理吸附，形成五氧化二钒/石墨烯复合材料。所以，五氧化二钒/石墨烯复合材料样品及五氧化二钒在整体的微表面形貌结构上呈现出极为相似的特点。
实施例1
本实施例提供的五氧化二钒/石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤包括：
Y1.在60℃恒温水浴搅拌的条件下将9.5g五氧化二钒粉体和0.5g石墨烯粉末加入到1500g去离子水一中，得到黑褐色液体，在磁力搅拌条件下，磁力搅拌搅拌的速度为500r/min，磁场变换频率为3000r/min，磁感应强度为1.0T；添加1g质量比为10％的双氧水，并持续反应15min后，继续添加的1500g去离子水二，并在超声条件下反应30min，得到粘稠凝胶液体，即五氧化二矾溶胶；
Y2.将石墨烯加入步骤Y1所得的五氧化二钒溶胶中，充分搅拌后，通过超声波细胞粉碎机进行超声分散，超声分散的输出功率为30KHz，超声分散的时间为150min，使得石墨烯均匀分散于所述五氧化二钒溶胶内；制备得到所述五氧化二钒/石墨烯复合材料；
其中，石墨烯的元素组成为C含量97.78wt％、N含量0.96wt％和O含量1.26wt％。
实施例2
本实施例提供的五氧化二钒/石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤包括：
Y1.在80℃恒温水浴搅拌的条件下将9.9g五氧化二钒粉体和0.1g石墨烯粉末加入到500g去离子水一中，得到黑褐色液体，在磁力搅拌条件下，磁力搅拌搅拌的速度为500r/min，磁场变换频率为100r/min，磁感应强度为1.0T；添加 0.1g质量比为40％的双氧水，并持续反应20min后，继续添加的500g去离子水二，并在超声条件下反应150min，得到粘稠凝胶液体，即五氧化二矾溶胶；
Y2.将石墨烯加入步骤Y1所得的五氧化二钒溶胶中，充分搅拌后，通过超声波细胞粉碎机进行超声分散，超声分散的输出功率为40KHz，超声分散的时间为30min，使得石墨烯均匀分散于所述五氧化二钒溶胶内；制备得到所述五氧化二钒/石墨烯复合材料；
其中，石墨烯的元素组成为C含量97.78wt％、N含量0.96wt％和O含量 1.26wt％。
实施例3
本实施例提供的五氧化二钒/石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤包括：
Y1.在80℃恒温水浴搅拌的条件下将9.6g五氧化二钒粉体和0.4g石墨烯粉末加入到1000g去离子水一中，得到黑褐色液体，在磁力搅拌条件下，磁力搅拌搅拌的速度为1000r/min，磁场变换频率为1000r/min，磁感应强度为0.5T；添加0.8g的质量比为35％的双氧水，并持续反应20min后，继续添加的1000g 去离子水二，并在超声条件下反应90min，得到粘稠凝胶液体，即五氧化二矾溶胶；
Y2.将石墨烯加入步骤Y1所得的五氧化二钒溶胶中，充分搅拌后，通过超声波细胞粉碎机进行超声分散，超声分散的输出功率为40KHz，超声分散的时间为30min，使得石墨烯均匀分散于所述五氧化二钒溶胶内；制备得到所述五氧化二钒/石墨烯复合材料；
其中，石墨烯的元素组成为C含量97.78wt％、N含量0.96wt％和O含量1.26wt％。
实施例4
本实施例提供的五氧化二钒/石墨烯复合材料的制备方法与实施例3相同，其不同之处在于，五氧化二钒粉末的质量为9.8g，石墨烯的质量为0.2g。
实施例5
本实施例提供的五氧化二钒/石墨烯复合材料的制备方法与实施例3相同，其不同之处在于，五氧化二钒粉末的质量为9.7g，石墨烯的质量为0.3g。其中，步骤S3超声分散的频率为80kHz，所述超声分散的时间为10min。
对比例1
申请号为CN201210504638.X的名称为《五氧化二钒/石墨烯复合材料及其应用》，公开了一种五氧化二钒/石墨烯复合材料，按照质量百分比，包括70～95％的五氧化二钒和5～30％的石墨烯，包括如下步骤：
将氧化石墨加入到丙酮中，超声30～180min，形成0.006～0.053mg/ml的悬浮液；
向上述悬浮液中加入三异丙氧基氧化钒和蒸馏水，密封，室温老化2～5天，得到湿凝胶；其中，丙酮、三异丙氧基氧化钒、蒸馏水的体积比为5～15:1:2～5；
取出湿凝胶，先后采用无水丙酮和环己烷洗涤几遍，干燥处理，得到干凝胶；将得到的干凝胶置于惰性气体保护气氛中，于500～700℃高温反应1～10h，得到五氧化二钒/石墨烯复合材料。
为了进一步确定本发明选用的石墨烯原料的性能，对其进行物性表征，具体如下：
1.X射线光电子能谱分析(XPS)
X射线光电子能谱(XPS)，主要用于样品表面元素成分的定性、定量及价态的分析。它广泛应用于元素分析、多相研究、化合物结构鉴定、富集法微量元素分析、元素价态鉴定。在本文中的XPS表征是由西安锐思博创应用材料科技有限公司完成，所采用的仪器型号为K-Alpha。主要用来鉴别产物中C、O、 S等元素的价态。
表1石墨烯样品元素组成
从图1中的XPS总谱中可以看出，石墨烯样品的元素组成主要为C、N、O 三种元素，杂质元素的含量极少。从C 1s图谱中可以看出，石墨烯产品中主要存在苯环、-C-H以及-C＝O等官能团；O 1s图谱中也存在-COOH官能团的峰； N 1s图谱中存在-NH2基团的特征峰。表明石墨烯样品中存在少量的-COOH和 -NH2基团，这可能是残余石墨烯量子点(吸附在石墨烯片层表面的石墨烯量子点)和膨胀石墨原料上残余的-COOH基团等原因所造成的。但是，从表1中可以看出石墨烯样品中碳含量可以达到97％以上，而N、O元素的含量很少，其中碳氧比(C:O，与电导率呈正相关性)可以达到77.6，远高于目前市场上经过氧化石墨烯还原之后的石墨烯的碳氧比(通常小于20)，表明液本发明选用的石墨烯具有高的电导率。
2.扫描电子显微镜测试(SEM)
扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)是一种观察材料微观形貌的有效手段。本文中的SEM表征由湖南大学化学化工学院完成，且由于所制备的石墨烯材料粒径为微米级，对于放大倍数的要求比较高，所采用的仪器是 Merlin型扫描电子显微镜，加速电压为10KV。
测试样品的制备：先将导电胶黏贴在标准样品台上，然后将制备好的石墨烯均匀地平铺在台子上，再将样品台放入烘箱干燥。
从SEM表征结果图2中可以看出石墨烯样品主要呈片状结构，且片层表面形貌均一，无杂质颗粒分布。从图2a中可以看出石墨烯样品的片层粒径>1μm，且从图2b中可以看出该石墨烯样品片层间具有一定的抗回叠能力。
3.场发射投射电子显微镜测试(TEM)
场发射透射电子显微镜(TEM)能够表征合成材料的微观形貌结构、缺陷、界面与结晶格构成。方便与研究材料的构效关系。本实验中的AFM表征由中国海洋大学完成，采用的是日本电子JEM-2100F型透射电子显微镜，观察制备材料的形貌结构特征。
从图3a中可以看出该石墨烯样品的片层粒径均大于1μm，且片层的通透性较好，可反映出该石墨烯产品的片层数较少。从图3b(石墨烯样品的片层边缘放大图)中可以看出该样品中存在片层数为7层的石墨烯，即表明该样品中存在片层数小于10层的石墨烯产品。
4.拉曼光谱
本实验的Raman表征是由湖南大学化学化工学院完成，所采用的设备是法国Dilor公司的Renishaw inVia+Reflex型拉曼光谱仪对不同样品进行分析，激发波长为785nm，功率为3mW。
表2石墨烯样品Raman图谱分析数据
| D-bondposition | G-bondposition | 2D-position | ID/IG | I2D/IG |
| 1343.6 | 1585.77 | 2690.61 | 0.243 | 1.512 |
从图5中可以看出该石墨烯的G-bond峰强度明显高于D-bond峰强度，通过对峰面积积分，计算得到ID/IG为0.243，达到高品质石墨烯ID/IG数值标准 (ID/IG为：D-bond峰强度与G峰强度比值，通常高品质石墨烯的ID/IG小于 0.25，且随着石墨烯品质的降低ID/IG数值增大)。这表明该石墨烯的品质较高，片层缺陷少(石墨烯结构完整)。从I2D/IG的数值中可以看出，该石墨烯样品的I2D/IG值为1.512，与单层石墨烯的I2D/IG数值相接近(通常单层石墨烯的 I2D/IG数值>2，且随着层数的增加I2D/IG数值减小)，表明该石墨烯样品的层数较少。
5.五氧化二钒/石墨烯复合材料的XRD表征
从图6中的XRD衍射峰，可以看出五氧化二钒/石墨烯复合材料样品的衍射峰与五氧化二钒的衍射峰几乎完全一样。表明复合了石墨烯之后的五氧化二钒晶体结构并没有发生变化，即石墨烯的复合并没有改变五氧化二钒晶体中的键结构(没有发生化学反应)。所以，五氧化二钒/石墨烯复合材料样品中石墨烯与五氧化二钒仅仅是物理复合，且由于石墨烯的复合量较少(<5wt.％)，因此图6中石墨烯/五氧化二钒复合材料样品的衍射峰与五氧化二钒的衍射峰并没有出现较为明显差异。
6.五氧化二钒/石墨烯复合材料的充放电循环性能表征
五氧化二钒/石墨烯复合材料和五氧化二钒制备的锂离子电池正极在200 mA/g电流密度下的充放电循环性能测试结果如图7所示。从图7中可以看出，经过50次充放电循环之后，五氧化二钒/石墨烯复合材料样品和五氧化二钒的放电比容量均出现了一定程度上的降低；相对于初期的放电容量，均下降了约12％，即石墨烯对五氧化二钒材料的循环稳定性提升不大。但是，从图7中可以看出，在200mA/g电流密度下，五氧化二钒/石墨烯复合材料样品的放电比容量要明显高于和五氧化二钒的放电比容量，即放电比容量提升约为20％。这是由于石墨烯材料的嵌锂点位是石墨正极材料的两倍，理论比容量较大(约为石墨正极的两倍，即：约为744mAh/g)。所以，在复合了5wt％的石墨烯之后的五氧化二钒/石墨烯复合材料样品的放电比容量能够提升约20％。为了进一步说明本发明的五氧化二钒/石墨烯复合材料的性能，对实施例1～实施例5和对比例1 中所制备的材料进行性能测试。
实施例6
提供石墨烯/五氧化二钒正极电极片，采用实施例1的石墨烯/五氧化二钒作为原料，进行正极电极片的制备包括如下步骤：
S1.以石墨烯/五氧化二钒为原料，进行低温干燥处理，干燥的时间为6h，温度为80℃得到石墨烯/五氧化二钒粉体；
S2.将步骤S1制备得到的石墨烯/五氧化二钒作为正极活性材料，与乙炔黑和粘合剂聚偏氟乙烯以质量比为80:10:10进行研磨，研磨时间为1h，研磨充分；
S3.加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，N-甲基吡咯烷酮溶剂的加入量为石墨烯/五氧化二钒、乙炔黑和粘合剂总质量的6Wt％；继续研磨至均匀粘稠状，得到浆料；
S4.将步骤S3得到浆料均匀涂在铜箔中，涂在铜箔的浆料的厚度为20μm；采用真空干燥箱，其温度为60℃，恒温时间16h。
S5.将步骤S4中的电极片冲成直径为16mm的圆片。
实施例7
提供石墨烯/五氧化二钒正极电极片，采用实施例2的石墨烯/五氧化二钒作为原料，进行正极电极片的制备包括如下步骤：
S1.以石墨烯/五氧化二钒为原料，进行低温干燥处理，干燥的时间为8h，温度为50℃得到石墨烯/五氧化二钒粉体；
S2.将步骤S1制备得到的石墨烯/五氧化二钒作为正极活性材料，与乙炔黑和粘合剂羧甲基纤维素以质量比为80:10:10进行研磨，研磨时间为3h，研磨充分；
S3.加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，N-甲基吡咯烷酮溶剂的加入量为石墨烯/五氧化二钒、乙炔黑和粘合剂总质量的8Wt％；继续研磨至均匀粘稠状，得到浆料；
S4.将步骤S3得到浆料均匀涂在铜箔中，涂在铜箔所述浆料的厚度为80μm 采用真空干燥箱，其温度为90℃，恒温时间10h。
S5.将步骤S4中的电极片冲成直径为16mm的圆片。
实施例8
提供石墨烯/五氧化二钒正极电极片，采用实施例3的石墨烯/五氧化二钒作为原料，进行正极电极片的制备，其制备步骤与实施例6基本相同，其不同之处在于，步骤S1.干燥的时间为7h，温度为60℃得到石墨烯/五氧化二钒粉体；
步骤S3.加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，N-甲基吡咯烷酮溶剂的加入量为石墨烯/五氧化二钒、乙炔黑和粘合剂总质量的10Wt％；继续研磨至均匀粘稠状，得到浆料；
步骤S4.浆料的厚度为10μm，真空干燥温度为80℃，恒温时间12h；
实施例9
提供石墨烯/五氧化二钒正极电极片，采用实施例4的石墨烯/五氧化二钒作为原料，进行正极电极片的制备，其制备步骤与实施例6相同；其不同之处，步骤S4中，浆料的厚度为50μm，真空干燥温度为70℃，恒温时间15h；
实施例10
提供石墨烯/五氧化二钒正极电极片，采用实施例5的石墨烯/五氧化二钒作为原料，进行正极电极片的制备，其制备步骤与实施例6相同。
对比例2
提供石墨烯/五氧化二钒正极电极片，采用对比例1的石墨烯/五氧化二钒作为原料，进行正极电极片的制备，其制备步骤与实施例6相同。
为了进一步证明实施例6～实施例10及对比例2的石墨烯/五氧化二钒正极电极片，按常规方法与锂片和隔膜组装成扣式电池，并进行恒电流充放电测试，电池能量密度测试结果见表3所示。
表3
由表3可知，实施例6～实施例10制备的石墨烯/五氧化二钒正极电极片的能量密度明显高于对比例2中的石墨烯/五氧化二钒正极电极片，其中实施例6的电极片的能量密度最高，针对实施例6中的石墨烯/五氧化二钒复合材料在50mA/g、 200mA/g、500mA/g、1A/g、2A/g、3A/g、5A/g等电流密度下的充放电循环性能测试结果如图8所示。从图8中可以看出在小电流密度(如：50mA/g)条件下，石墨烯/五氧化二钒复合材料样品的比容量和五氧化二钒样品的比容量相差不大；而在大电流密度(如：3A/g和5A/g)条件下，石墨烯/五氧化二钒复合材料样品要明显大于五氧化二钒样品的比容量，且比容量提升分别为：28％和32％。其原因选用，制备石墨烯/五氧化二钒复合材料的原料石墨烯的导电性能优越，当电流密度较小时，由于电池极片中含有一定量的乙炔黑，能够满足小电流密度条件下活性物质间的电子传输要求，所以石墨烯/五氧化二钒复合材料样品的比容量和五氧化二钒样品的比容量相差不大。当电流较大(大倍率)时，电池极片中所含有的乙炔黑已经不能满足大电流密度条件下活性物质之间的电子传输要求，虽然现有技术，可以通过提升乙炔黑的用量，来提升电子传输效率，但是也会减低电池的能量密度，而本申请的选用的石墨烯能够在提升极片容量的同时，较大程度的提升极片电导率，提升极片中活性物之间的电子传输速率。石墨烯能有效改善五氧化二钒材料的大倍率性能。
Claims (10)
1.一种石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.以石墨烯/五氧化二钒为原料，进行低温干燥处理，所述低温干燥的时间为6~8h，温度为50~80℃；得到石墨烯/五氧化二钒粉体；
S2.将步骤S1制备得到的石墨烯/五氧化二钒作为正极活性材料，与乙炔黑和粘合剂以质量比为80:10:10进行研磨，研磨时间为1~3h，研磨充分；
S3.加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，继续研磨至均匀粘稠状，得到浆料；
S4.将步骤S3得到浆料均匀涂在铜箔中，采用真空干燥，所述真空干燥温度为60~90℃，恒温时间10～16h；除去电极片中的N-甲基吡咯烷酮得到电极片；
S5.将步骤S4中的电极片冲成直径为16mm的圆片；
其中，步骤S1中五氧化二钒与石墨烯的质量比为95~99：1~5；所述石墨烯粉末的元素组成为C含量97.78wt%、N含量0.96wt%和O含量1.26wt%；与电导率呈正相关性的碳氧质量比为77.6，石墨烯的片层粒径为238nm、片层厚度为1.87nm；所述石墨烯粉末为膨胀系数为200~300倍的膨胀石墨制备得到。
2.根据权利要求1所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述低温干燥的时间为7~8h，温度为60~80℃。
3.根据权利要求1所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法，其特征在于，步骤S2中粘合剂为聚偏氟乙烯或羧甲基纤维素的任意一种。
4.根据权利要求1所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述N-甲基吡咯烷酮溶剂的加入量为所述石墨烯/五氧化二钒、乙炔黑和粘合剂总质量的6~10Wt%。
5.根据权利要求1所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述真空干燥采用真空干燥箱；所述真空干燥温度为70~80℃，恒温时间12～15h。
6.根据权利要求1所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法，其特征在于，步骤S4涂在铜箔所述浆料的厚度为10～80μm。
7.根据权利要求1所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法，其特征在于，所述石墨烯/五氧化二钒包括如下步骤包括：
Y1. 在60~80℃恒温水浴搅拌的条件下将五氧化二钒粉体和石墨烯粉末加入到去离子水一中，得到黑褐色液体，在磁力搅拌条件下添加双氧水，并持续反应15~20min后，继续添加的去离子水二，并在超声条件下反应30~150 min，得到粘稠凝胶液体，即五氧化二矾溶胶；
Y2. 将石墨烯加入步骤S1所得的五氧化二钒溶胶中，充分搅拌后，通过超声波细胞粉碎机进行超声分散，所述超声分散的输出功率为30~40 KHz，超声分散的时间为30~150min，使得所述石墨烯粉末均匀分散于所述五氧化二钒溶胶内；制备得到所述五氧化二钒/石墨烯复合材料；
所述五氧化二钒粉体和石墨烯粉末的总质量与去离子水一和去离子水二的总质量的质量比为1：100~300；所述去离子水一与去离子水二的质量比为1:1；所述双氧水与石墨烯的质量比为1~2:1；所述步骤Y1的磁力搅拌的速度为500~1500r/min，步骤Y2所述搅拌的速度为500~1500r/min；所述磁场变换频率为100~3000r/min，磁感应强度为0.1~1.0T。
8.根据权利要求1所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法，其特征在于，所述石墨烯的片层粒径为1～5μm、片层厚度为1.87 nm。
9.一种由权利要求1～8任意一项所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片的制备方法制备得到石墨烯/五氧化二钒正极电极片。
10.一种根据权利要求9所述石墨烯/五氧化二钒正极电极片的应用，其特征在于，应用于超级电容器领域。
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