CN111681882A - 一种提升复合碳材料电化学性能的方法及电化学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于电化学技术领域，提供了一种提升复合碳材料电化学性能的方法及电化学装置，该方法包括以下步骤：将复合碳材料涂敷于集流体上，得到电极片；所述复合碳材料包括氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭；将电极片置于磁场强度为0.05～0.25T的磁场中。本发明通过合理调整复合碳材料中各组分的比例，可以使得复合碳材料具有较大的比表面积和较大的比容量；另外，本发明通过对复合碳材料进行外加磁场处理，使得离子和电子在洛伦兹力作用下，由无序变成有序状态，同时运动轨迹发生改变，为此可提供更多的活性位点，从而可以在提高复合碳材料的比电容的同时，又能保持其良好的倍率性能和循环性能。
Description
技术领域
本发明属于电化学技术领域，尤其涉及一种提升复合碳材料电化学性能的方法及电化学装置。
背景技术
二十一世纪是信息技术的时代，随着人们对智能电子设备性能要求的提高，电能使用及存储成为人们急需面对的首要问题。其中超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件，它具有充放电速度快、循环寿命长且环境友好等优势，被认为是未来新型电源的一个重要选择。目前超级电容器电极材料的研究重点一直放在正极材料的研发，负极材料的发展相对缓慢。然而，正负极材料的匹配以及电化学性能的整体提高，才能够有效地提升超级电容器的能量密度和功率密度。负极材料以碳材料为主，其中以氧化石墨烯，碳纳米管和活性炭合成的复合碳材料作为负极电极材料，具有较好的电导率，但其容量、倍率以及循环性能仍亟待提升。
目前设计新颖的电极材料结构和调节材料种类(如通过加入具有赝电容性能的材料)是提高电容器电极电化学性能的主要手段，然而利用上述方法进一步提升电容器电极材料的电化学性能已经接近瓶颈期，因此，寻找一种能够普遍性增强电容器电极材料电化学性能的方法，具有十分重要的意义。
磁场技术是一种能够普遍性增强电容器电极材料电化学性能的有效方法，因为磁场对于做布朗运动的电子和离子具有洛伦兹力的作用，使得其迁移行为发生变化，从无序变成有序，并且运动路径发生一定角度的偏转，为电子和离子的传输提供有效的通道；同时根据分子的顺磁逆磁性质不同，从而对电容器中的氧传质扩散系数，电荷传递系数，双电层电容，传荷电阻等都有一定程度的影响，进而影响其电化学性能。
申请号为CN 201610515270.5的专利公开了“磁场调控不同物相Co(OH)2材料的制备方法及其应用”，其所公开的是将磁场放在材料的合成中，是通过磁场使材料发生相变，得到不同的Co(OH)2相来提升电化学性能；申请号为CN201910528751.3的专利公开了“磁场诱导氯化镍/聚苯胺超级电容器电极材料的制备方法”，其所公开的是通过在材料制备电极过程中外加磁场以改变材料形貌顺序排列从而改变电化学性能。以上方式都是在材料合成中通过外加磁场来改变形貌来提升材料的电化学性能，但在电化学性能测试中外加磁场的方法几乎没有。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种提升复合碳材料电化学性能的方法，旨在解决背景技术中提出的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其包括以下步骤：
将复合碳材料涂敷于集流体上，得到电极片；所述复合碳材料包括氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭；所述氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭的质量比为(40～50):(2～8):(42～58)；
将电极片置于磁场强度为0.05～0.25T的磁场中。
作为本发明实施例的一种优选方案，所述将复合碳材料涂敷于集流体上，得到电极片的步骤，具体包括：
将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂分散于溶剂中，得到分散液；
将分散液涂敷于集流体上，得到电极片。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述复合碳材料、导电炭黑和粘合剂的质量比为(70～90):(5～15):(5～15)。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述导电炭黑为乙炔黑。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述粘合剂为聚偏二氟乙烯。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述磁场的磁场强度为0.1～0.2T。
本发明实施例的另一目的在于提供一种电化学装置，包括电极片，所述电极片上设有复合碳材料，所述复合碳材料包括氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭；所述氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭的质量比为(40～50):(2～8):(42～58)；所述电化学装置还包括：
磁场组件，用于产生磁场强度为0.05～0.25T的磁场；所述电极片设置在所述磁场组件所产生的磁场中。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述磁场组件包括两组铁氧体磁铁；所述电极片设置在两组所述铁氧体磁铁之间。
作为本发明实施例的另一种优选方案，所述电化学装置的比容量不低于191F/g。
本发明实施例提供的一种提升复合碳材料电化学性能的方法，通过合理调整复合碳材料中各组分的比例，使得氧化石墨烯的堆叠较小，具有较大的比表面积，以及使活性炭团聚较小，同时可提供较大的比容量；另外，本发明实施例通过对复合碳材料进行外加磁场处理，使得离子和电子在洛伦兹力作用下，由无序变成有序状态，同时运动轨迹发生改变，为此可提供更多的活性位点，从而可以在提高复合碳材料的比电容的同时，又能保持其良好的倍率性能和循环性能。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的复合碳材料的SEM图。
图2为本发明实施例1制得的复合碳材料在0.15T的磁场中的CV曲线图。
图3为本发明实施例1制得的复合碳材料在0.15T的磁场中的倍率图。
图4为本发明实施例1制得的复合碳材料在0.15T的磁场中的循环性能图。
图5为本发明实施例1制得的复合碳材料在0.15T的磁场中的的阻抗图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
该实施例提供了一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭按照45:5:50的质量比分散与去离子水中，并进行磁力搅拌3h后，再依次进行离心、洗涤和干燥处理，得到复合碳材料。
S2、将上述将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂按照80:10:10的质量比分散于N-甲基吡咯烷酮中，得到分散液；接着，将上述分散液均匀涂敷于集流体上，得到电极片；其中，导电炭黑为乙炔黑，粘合剂为聚偏二氟乙烯。
S3、将上述电极片置于磁场强度为0.15T的磁场中，即可提升复合碳材料的电化学性能；其中，磁场可以由两块相隔60mm的尺寸为2×4cm矩形的铁氧体磁铁提供，其磁场强度是在特斯拉计下测得。
实施例2
该实施例提供了一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭按照40:2:58的质量比分散与去离子水中，并进行磁力搅拌2h后，再依次进行离心、洗涤和干燥处理，得到复合碳材料。
S2、将上述将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂按照70:15:15的质量比分散于N-甲基吡咯烷酮中，得到分散液；接着，将上述分散液均匀涂敷于集流体上，得到电极片；其中，导电炭黑为乙炔黑，粘合剂为聚偏二氟乙烯。
S3、将上述电极片置于磁场强度为0.05T的磁场中，即可提升复合碳材料的电化学性能；其中，磁场可以由两块相隔60mm的尺寸为2×4cm矩形的铁氧体磁铁提供，其磁场强度是在特斯拉计下测得。
实施例3
该实施例提供了一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭按照50:8:42的质量比分散与去离子水中，并进行磁力搅拌4h后，再依次进行离心、洗涤和干燥处理，得到复合碳材料。
S2、将上述将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂按照90:5:5的质量比分散于N-甲基吡咯烷酮中，得到分散液；接着，将上述分散液均匀涂敷于集流体上，得到电极片；其中，导电炭黑为乙炔黑，粘合剂为聚偏二氟乙烯。
S3、将上述电极片置于磁场强度为0.25T的磁场中，即可提升复合碳材料的电化学性能；其中，磁场可以由两块相隔60mm的尺寸为2×4cm矩形的铁氧体磁铁提供，其磁场强度是在特斯拉计下测得。
实施例4
该实施例提供了一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭按照42:4:54的质量比分散与去离子水中，并进行磁力搅拌3h后，再依次进行离心、洗涤和干燥处理，得到复合碳材料。
S2、将上述将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂按照75:10:15的质量比分散于N-甲基吡咯烷酮中，得到分散液；接着，将上述分散液均匀涂敷于集流体上，得到电极片；其中，导电炭黑为乙炔黑，粘合剂为聚偏二氟乙烯。
S3、将上述电极片置于磁场强度为0.1T的磁场中，即可提升复合碳材料的电化学性能；其中，磁场可以由两块相隔60mm的尺寸为2×4cm矩形的铁氧体磁铁提供，其磁场强度是在特斯拉计下测得。
实施例5
该实施例提供了一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭按照48:6:46的质量比分散与去离子水中，并进行磁力搅拌3h后，再依次进行离心、洗涤和干燥处理，得到复合碳材料。
S2、将上述将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂按照85:7:8的质量比分散于N-甲基吡咯烷酮中，得到分散液；接着，将上述分散液均匀涂敷于集流体上，得到电极片；其中，导电炭黑为乙炔黑，粘合剂为聚偏二氟乙烯。
S3、将上述电极片置于磁场强度为0.2T的磁场中，即可提升复合碳材料的电化学性能；其中，磁场可以由两块相隔60mm的尺寸为2×4cm矩形的铁氧体磁铁提供，其磁场强度是在特斯拉计下测得。
实施例6
该实施例提供了一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭按照(40～50):(2～8):(42～58)的质量比分散与去离子水中，并进行磁力搅拌2-4h后，再依次进行离心、洗涤和干燥处理，得到复合碳材料。
S2、将上述将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂按照(70～90):(5～15):(5～15)的质量比分散于N-甲基吡咯烷酮中，得到分散液；接着，将上述分散液均匀涂敷于集流体上，得到电极片；其中，导电炭黑为乙炔黑，粘合剂为聚偏二氟乙烯。
S3、将上述电极片置于磁场强度为0.05～0.25T的磁场中，即可提升复合碳材料的电化学性能；其中，磁场可以由两块相隔60mm的尺寸为2×4cm矩形的铁氧体磁铁提供，其磁场强度是在特斯拉计下测得。
实施例7
该实施例提供了一种电化学装置，其包括电极片和磁场组件，所述电极片上涂覆有上述实施例1制得的复合碳材料。另外，所述磁场组件包括两组相隔60mm的尺寸为2×4cm矩形的铁氧体磁铁，其磁场强度用特斯拉计测定为0.15T；所述电极片设置在两组所述铁氧体磁铁之间。
在实际应用中，该电化学装置可以使超级电容器，上述的电极片可以作为超级电容器的负极，其余结构和正极材料可以与现有的超级电容器相同。
实施例8
该实施例提供了一种电化学装置，其包括电极片和磁场组件，所述电极片上涂覆有上述实施例2制得的复合碳材料。另外，所述磁场组件包括两组相隔60mm的尺寸为2×4cm矩形的铁氧体磁铁，其磁场强度用特斯拉计测定为0.05T；所述电极片设置在两组所述铁氧体磁铁之间。
在实际应用中，该电化学装置可以使超级电容器，上述的电极片可以作为超级电容器的负极，其余结构和正极材料可以与现有的超级电容器相同。
实施例9
该实施例提供了一种电化学装置，其包括电极片和磁场组件，所述电极片上涂覆有上述实施例3制得的复合碳材料。另外，所述磁场组件包括两组相隔60mm的尺寸为2×4cm矩形的铁氧体磁铁，其磁场强度用特斯拉计测定为0.25T；所述电极片设置在两组所述铁氧体磁铁之间。
在实际应用中，该电化学装置可以使超级电容器，上述的电极片可以作为超级电容器的负极，其余结构和正极材料可以与现有的超级电容器相同。
对比例1
该对比例提供了一种复合碳材料和电极片，电极片的制备方法包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭按照65:5:30的质量比分散与去离子水中，并进行磁力搅拌3h后，再依次进行离心、洗涤和干燥处理，得到复合碳材料。
S2、将上述将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂按照80:10:10的质量比分散于N-甲基吡咯烷酮中，得到分散液；接着，将上述分散液均匀涂敷于集流体上，得到电极片；其中，导电炭黑为乙炔黑，粘合剂为聚偏二氟乙烯。
对比例2
该对比例提供了一种复合碳材料和电极片，电极片的制备方法包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯和活性炭按照50:50的质量比分散与去离子水中，并进行磁力搅拌3h后，再依次进行离心、洗涤和干燥处理，得到复合碳材料。
S2、将上述将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂按照80:10:10的质量比分散于N-甲基吡咯烷酮中，得到分散液；接着，将上述分散液均匀涂敷于集流体上，得到电极片；其中，导电炭黑为乙炔黑，粘合剂为聚偏二氟乙烯。
对比例3
该对比例提供了一种复合碳材料和电极片，电极片的制备方法包括以下步骤：
S1、将氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭按照45:5:50的质量比分散与去离子水中，并进行磁力搅拌3h后，再依次进行离心、洗涤和干燥处理，得到复合碳材料。
S2、将上述将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂按照80:10:10的质量比分散于N-甲基吡咯烷酮中，得到分散液；接着，将上述分散液均匀涂敷于集流体上，并置于0.15T的磁场中进行干燥，得到电极片；其中，导电炭黑为乙炔黑，粘合剂为聚偏二氟乙烯。
实验例：
一、将上述实施例1制得的复合碳材料进行SEM观察，其得到的SEM图如附图1所示。
二、将上述实施例1制得的复合碳材料制成三电极体系，然后分别置于0T、0.15T、0.3T的磁场中进行电化学性能测试(比容量、倍率性能和循环性能等)，其测试结果如表1所示。其中，三电极体系中，上述实施例1所制得的电极片为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂电极为对电极，氢氧化钾为电极液。
另外，上述实施例1制得的复合碳材料在0.15T的磁场中的CV曲线图如附图2所示，从图2中可以看出，本发明实施例1提供的复合碳材料在0.15T的磁场中具有较佳的充放电性能。
上述实施例1制得的复合碳材料在0.15T的磁场中的倍率图如附图3所示，从图3中可以看出，本发明实施例1提供的复合碳材料在0.15T的磁场中的倍率性能优异，其1A/g的比电容分别高达191F/g，30A/g的比容量达到48F/g。
上述实施例1制得的复合碳材料在0.15T的磁场中的循环性能图如附图4所示，从图4中可以看出，本发明实施例1提供的复合碳材料在0.15T的磁场中的循环性能较优，其在3A/g的条件下循环5000次后的比电容仍能保持93.8％。
上述实施例1制得的复合碳材料在0.15T的磁场中的的阻抗图如附图5所示，从图5中可以看出，本发明实施例1提供的复合碳材料在0.15T的磁场中具有较小的电阻。
三、将上述对比例1制得的复合碳材料制成三电极体系，然后置于0.15T的磁场中进行电化学性能测试(比容量、倍率性能和循环性能等)，其测试结果如表1所示。其中，三电极体系中，上述对比例1所制得的电极片为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂电极为对电极，氢氧化钾为电极液。
四、将上述对比例2制得的复合碳材料制成三电极体系，然后置于0.3T的磁场中进行电化学性能测试(比容量、倍率性能和循环性能等)，其测试结果如表1所示。其中，三电极体系中，上述对比例2所制得的电极片为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂电极为对电极，氢氧化钾为电极液。
五、将上述对比例3制得的复合碳材料制成三电极体系，然后分别置于0T、0.15T的磁场中进行电化学性能测试(比容量、倍率性能和循环性能等)，其测试结果如表1所示。其中，三电极体系中，上述对比例3所制得的电极片为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂电极为对电极，氢氧化钾为电极液。
表1
由表1电化学数据分析可知，在0.15T磁场强度下，本发明实施例1制得的复合碳材料负极具有优异的性能，这是由于该复合碳材料中各组分的比例较为合理，其氧化石墨烯的堆叠较小，具有较大的比表面积；活性炭团聚较小，同时可提供较大的比容量。同时，在0.15T磁场强度下，离子和电子在洛伦兹力作用下，由无序变成有序状态，同时运动轨迹发生改变，为此可提供更多的活性位点。因此，该复合碳材料在外加磁场条件下提高了负极的比电容的同时，又保持了其良好的倍率性能和循环性能。
另外，由表1还可以看出，在0.15T磁场条件下制备得到的复合碳材料仍然是在0.15T外加磁场测试条件下具有良好的电化学性能，由此进一步可知外加磁场在电化学测试中对于材料电化学性能具有一定的提升作用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将复合碳材料涂敷于集流体上，得到电极片；所述复合碳材料包括氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭；所述氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭的质量比为(40～50):(2～8):(42～58)；
将电极片置于磁场强度为0.05～0.25T的磁场中。
2.根据权利要求1所述的一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其特征在于，所述将复合碳材料涂敷于集流体上，得到电极片的步骤，具体包括：
将复合碳材料、导电炭黑和粘合剂分散于溶剂中，得到分散液；
将分散液涂敷于集流体上，得到电极片。
3.根据权利要求2所述的一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其特征在于，所述复合碳材料、导电炭黑和粘合剂的质量比为(70～90):(5～15):(5～15)。
4.根据权利要求3所述的一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其特征在于，所述导电炭黑为乙炔黑。
5.根据权利要求3所述的一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其特征在于，所述粘合剂为聚偏二氟乙烯。
6.根据权利要求2所述的一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其特征在于，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
7.根据权利要求1所述的一种提升复合碳材料电化学性能的方法，其特征在于，所述磁场的磁场强度为0.1～0.2T。
8.一种电化学装置，包括电极片，其特征在于，所述电极片上设有复合碳材料，所述复合碳材料包括氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭；所述氧化石墨烯、碳纳米管和活性炭的质量比为(40～50):(2～8):(42～58)；所述电化学装置还包括：
磁场组件，用于产生磁场强度为0.05～0.25T的磁场；所述电极片设置在所述磁场组件所产生的磁场中。
9.根据权利要求8所述的一种电化学装置，其特征在于，所述磁场组件包括两组铁氧体磁铁；所述电极片设置在两组所述铁氧体磁铁之间。
10.根据权利要求8所述的一种电化学装置，其特征在于，所述电化学装置的比容量不低于191F/g。
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