CN107644994A - 一种柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜及其制备方法 - Google Patents

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毛亚
李永
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Abstract

本发明公开了一种柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜及其制备方法，该薄膜包括1％‑50％质量百分比的石墨烯、40‑98％质量百分比的导电剂和1％‑20％质量百分比的粘结剂；所述石墨烯的比表面积为100‑2000m2/g。与现阶段其他储锂材料相比，应用本发明制备的柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜活性物质克容量大于400mAh/g，远高于锂离子电池石墨负极的320mAh/g的活性物质克容量。同时将该柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜应用在储能领域具有储锂能力强、柔性可折叠等特点，应用于轻质柔性便携式可穿戴设备等，可提高可穿戴设备的能量密度与使用寿命，进而推动轻质柔性便携式设备的商业化应用。

Description

一种柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯复合材料制备技术领域，具体涉及一种柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜及其制备方法。
背景技术
石墨烯自2004年发现以来，以其独特的电学、光学、热学性能成为材料科学的新宠。石墨烯是一种单原子层石墨薄片，碳原子以六环密集排列形成二维平面，该特殊结构造就了石墨烯具有高比表面积、出色的导电性、导热性和高机械强度等优异性能。然而二维形貌的石墨烯为降低表面张力而出现褶皱、重叠，这种热力学上的不稳定导致石墨烯性能的变化，从而石墨烯在储锂与循环嵌入脱出能力上大打折扣。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜及其制备方法，以解决现有储能器件活性比容量低、循环寿命差、柔性差的问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，包括1％-50％质量百分比的石墨烯、40-98％质量百分比的导电剂和1％-20％质量百分比的粘结剂；所述石墨烯的比表面积为100-2000m2/g。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，其中，所述石墨烯的厚度小于10nm。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，其中，所述导电剂为石墨、硅、锡、KB、CNT、VGCF、SP中的一种或多种。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，其中，所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或多种。
本发明还提供了一种上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将石墨烯和极性溶剂进行混合后，超声并加入表面活性剂，得到高分散性石墨烯悬浊液；
步骤2：将步骤1所得到的高分散性石墨烯悬浊液与导电剂和粘结剂通过高速匀浆和超声分散后，得到石墨烯复合材料浆料，再经抽滤、烘干后得到复合石墨烯材料粉体；
步骤3：将步骤2所得到的复合石墨烯材料粉体与极性溶剂混合后，经滚压交联并压制成型，制得柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其中，在步骤1中，所述石墨烯与极性溶剂的质量比为1/100-1/1000；所述极性溶剂为去离子水、酒精、乙二醇中的一种；所述表面活性剂的添加量为0.01mL-1mL；所述超声的时间为10-50min。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其中，在步骤2中，所述高速匀浆的转速为500-8000转/min；所述超声分散的时间为10-60min；所述石墨烯复合材料浆料经抽滤后在50-80℃下烘干48-96h。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其中，在步骤3中，所述复合石墨烯材料粉体与极性溶剂的质量比为1:10-1:100；所述压制成型的压制压力为1-5Mpa。
本发明还提供了一种以上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜为电极材料所制备的电池。
本发明还提供了一种以上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜为储锂材料所制备的可穿戴设备。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
与现阶段其他储锂材料相比，应用本发明制备的柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜活性物质克容量大于400mAh/g，远高于锂离子电池石墨负极的320mAh/g的活性物质克容量。同时将该柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜应用在储能领域具有储锂能力强、柔性可折叠等特点，应用于轻质柔性便携式可穿戴设备等，可提高可穿戴设备的能量密度与使用寿命，进而推动轻质柔性便携式设备的商业化应用。
附图说明
图1为本发明柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜表面SEM图；
图2为本发明柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜应用于锂离子电池的循环充放电曲线图；
图3为本发明柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜应用于锂空气电池中的首次放电曲线图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，包括1％-50％质量百分比的石墨烯、40-98％质量百分比的导电剂和1％-20％质量百分比的粘结剂；所述石墨烯的比表面积为100-2000m2/g。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，其中，所述石墨烯的厚度小于10nm。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，其中，所述导电剂为石墨、硅、锡、KB、CNT、VGCF、SP中的一种或多种。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，其中，所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或多种。
本发明还提供了一种上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将石墨烯和极性溶剂进行混合后，超声并加入表面活性剂，得到高分散性石墨烯悬浊液；
步骤2：将步骤1所得到的高分散性石墨烯悬浊液与导电剂和粘结剂通过高速匀浆和超声分散后，得到石墨烯复合材料浆料，再经抽滤、烘干后得到复合石墨烯材料粉体；
步骤3：将步骤2所得到的复合石墨烯材料粉体与极性溶剂混合后，经滚压交联并压制成型，制得柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其中，在步骤1中，所述石墨烯与极性溶剂的质量比为1/100-1/1000；所述极性溶剂为去离子水、酒精、乙二醇中的一种；所述表面活性剂的添加量为0.01mL-1mL；所述超声的时间为10-50min。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其中，在步骤2中，所述高速匀浆的转速为500-8000转/min；所述超声分散的时间为10-60min；所述石墨烯复合材料浆料经抽滤后在50-80℃下烘干48-96h。
上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其中，在步骤3中，所述复合石墨烯材料粉体与极性溶剂的质量比为1:10-1:100；所述压制成型的压制压力为1-5Mpa。
本发明还提供了一种以上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜为电极材料所制备的电池。
本发明还提供了一种以上述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜为储锂材料所制备的可穿戴设备。
实施例1
一种柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜的制备方法，步骤如下：
步骤1：将商业化的石墨烯材料放入到去离子水中，其两者的质量比为1：1000，浸泡时进行超声波处理，超声频率为50kHz，超声时向溶液中滴加少量的表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠等)，超声时间为0.5h，制备出高分散性石墨烯悬浊液。
步骤2：将步骤1获得的石墨烯悬浊液中的石墨烯与纳米硅、聚偏氟乙烯按质量比1：8：1制备浆料在混料机高速匀浆搅拌条件下混合均匀并超声分散。随后放入80℃鼓风干燥箱中烘干制得复合石墨烯材料粉体。
步骤3：将10倍于复合石墨烯材料粉体的乙醇与复合石墨烯材料粉体混合，用有机玻璃棒对复合石墨烯材料不断的滚压交联，最后使用压机在1Mpa压力的条件下，将复合石墨烯材料压制成膜，形成柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜。
实施例2
一种柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜的制备方法，步骤如下：
步骤1：将化学气相沉积法制备的石墨烯材料放入到去离子水中，其两者的质量比为1：500，浸泡时进行超声波处理，超声频率为50kHz，超声时向溶液中滴加少量的表面活性剂(硬脂酸等)，超声时间为0.5h，制备出高分散性的石墨烯悬浊液。
步骤2：将步骤1获得的石墨烯悬浊液中的石墨烯与科琴黑、聚偏氟乙烯按质量比1：6：1制备浆料在混料机高速匀浆搅拌条件下混合均匀并超声分散。随后放入80℃鼓风干燥箱中烘干制得复合石墨烯材料粉体。
步骤3：将10倍于复合石墨烯材料粉体的去离子水与复合石墨烯材料粉体混合，用有机玻璃棒对复合石墨烯材料不断的滚压交联，最后使用压机在1Mpa压力的条件下，将复合石墨烯材料压制成膜，形成柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜。
图1为本发明柔性自支撑复合石墨烯材料的表面SEM图，从图中可以看出，粘结剂将石墨烯片层结构紧密的粘接在一起，这种结构可以有效的提高石墨烯片层之间的结合力，使其在存在应力时不易破裂，提高石墨烯材料薄膜的柔性。
图2为本发明柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜的循环充放电曲线图，发现复合石墨烯薄膜材料的可逆循环放电容量在400mAh/g左右，高于石墨材料理论320mAh/g的理论储锂量，说明该石墨烯薄膜拥有很高的储锂能力；从图中可以看出，本发明制得的柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜制备的电池具有较高的放电容量、良好的循环稳定性和较高的库伦效率。
图3为柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜在锂空气电池中的首次放电曲线图，由于柔性复合石墨烯薄膜表面具有很多的微孔结构，该结构为放电产物过氧化锂提供了很多的存储空间，因而可以提高锂空气电池的放电容量，提高电池的性能。
综上所述，与现阶段其他储锂材料相比，应用本发明制备的柔性自支撑复合石墨烯材料薄膜活性物质克容量大于400mAh/g，远高于锂离子电池石墨负极的320mAh/g的活性物质克容量。同时将该柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜应用在储能领域具有储锂能力强、柔性可折叠等特点，应用于轻质柔性便携式可穿戴设备等，可提高可穿戴设备的能量密度与使用寿命，进而推动轻质柔性便携式设备的商业化应用。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，其特征在于，包括1％-50％质量百分比的石墨烯、40-98％质量百分比的导电剂和1％-20％质量百分比的粘结剂；所述石墨烯的比表面积为100-2000m2/g。
2.如权利要求1所述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，其特征在于，所述石墨烯的厚度小于10nm。
3.如权利要求1所述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，其特征在于，所述导电剂为石墨、硅、锡、KB、CNT、VGCF、SP中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜，其特征在于，所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或多种。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将石墨烯和极性溶剂进行混合后，超声并加入表面活性剂，得到高分散性石墨烯悬浊液；
步骤2：将步骤1所得到的高分散性石墨烯悬浊液与导电剂和粘结剂通过高速匀浆和超声分散后，得到石墨烯复合材料浆料，再经抽滤、烘干后得到复合石墨烯材料粉体；
步骤3：将步骤2所得到的复合石墨烯材料粉体与极性溶剂混合后，经滚压交联并压制成型，制得柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜。
6.如权利要求5所述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述石墨烯与极性溶剂的质量比为1/100-1/1000；所述极性溶剂为去离子水、酒精、乙二醇中的一种；所述表面活性剂的添加量为0.01mL-1mL；所述超声的时间为10-50min。
7.如权利要求5所述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤2中，所述高速匀浆的转速为500-8000转/min；所述超声分散的时间为10-60min；所述石墨烯复合材料浆料经抽滤后在50-80℃下烘干48-96h。
8.如权利要求5所述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤3中，所述复合石墨烯材料粉体与极性溶剂的质量比为1:10-1:100；所述压制成型的压制压力为1-5Mpa。
9.一种电池，其特征在于，以权利要求1-4中任意一项所述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜为电极材料所制备的电池。
10.一种可穿戴设备，其特征在于，以权利要求1-4中任意一项所述的柔性自支撑石墨烯复合材料薄膜为储锂材料所制备的可穿戴设备。
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