[发明专利]中孔金属氧化物石墨烯纳米复合材料

说明书

本发明按照美国能源部资助的合同DE-AC0576RLO 1830在政府支持下完成的。政府在本发明中具有某些权利。

优先权要求

本申请要求了2008年9月9日提交的临时专利申请No 61/095,421、2008年9月23日提交的临时专利申请No. 61/099,388以及2009年9月3日提交的、标题为“Mesoporous Metal Oxide Graphene Nanocomposite Materials”的相应美国实用（US Utility）申请的优先权。每一个优先权文件的内容在此通过引用结合进来。

技术领域

本发明涉及用于电化学应用如电池、电容器和超级电容器中的改进材料。更具体地说，本发明涉及结合了中孔金属氧化物和石墨烯的纳米复合材料，其显示出以前在现有技术中未知的电性能。

背景技术

最近的研究都集中于作为先进的电能存储设备以提高能量利用效率的超级电容器（ultracapacitor）(或超级电容器，supercapacitor)的开发。在大部分的工业超级电容器应用中，在电化学超级电容器的开发中高表面积碳已经成为领导性的候选材料。这些设备也被称为电化学双层电容器(EDLC)，因为电能存储的基本机理是通过在电极/电解质界面区域处形成的电化学双层中的电荷分离来实现的。当该电极偏压时，形成双层结构，其中在电极表面附近积聚相反的电荷。该双层厚度(d)在修改的Gouy-Chapman模型中与Debye屏蔽长度相关。该双层电容(c)与表面面积、有效介电常数(ε)和该双层厚度之间通过倒数线性关系来相关联(C = εA/d)。典型的光滑表面将具有约10-20 μF/cm²的双层电容。为了增强大容量存储密度，高表面积电极是需要的。因此，对于具有1000 m²/g的比表面积的导电材料，该电容能够提高到100 F/g。

在大部分的工业应用中，高表面积的基于碳的材料已经是选择的材料，这主要归因于它们的高电子传导率和在适度成本下的可获得性。各种各样的高表面积基于碳的材料已经进行研究，其中包括活性炭，多壁和单壁的碳纳米管。电容典型地对于活性炭而言是40-140 F/g，对于碳纳米管而言是15-135 F/g。目前，最好的商购产品达到约130 F/g。

现有技术中的那些积极技术人员对于改进在基于碳的超级电容器中的电荷存储密度已经寻找几种途径。这些途径典型地集中于通过基于碳的材料的小心的热、化学或电化学处理以增加可及（accessible）表面面积和表面官能团，或通过延伸操作电压范围超过电解质水溶液的限度，来达到更高的电容。

追求第一个途径，进行大量的工作来使基于碳的材料的表面面积最大化。追求第二个途径，进行大量的工作来通过改性该界面提高电容。例如，表面官能化已证明可以有效地提高由于在样品处理过程中所产生的表面quindoidal官能团的氧化/还原所引起的假性电容。另一种广泛研究的方法通过用氧化还原（redox）活性金属氧化物如氧化锰或导电聚合物如聚苯胺和聚吡咯涂覆该基于碳的材料来增强电容。借助于这一方法，聚吡咯涂覆的碳纳米管已经表明达到170 F/g的电容，和MnO₂涂覆碳纳米管已经表明达到140 F/g的电容，但是这些复合材料仍然没有偏移聚合物和MnO₂的基本限制范围，其中包括有限的稳定性和操作电压范围。

因为通过表面面积的优化以及延伸该操作电压范围超过电解质水溶液的限度不能导致进一步的主要改进，所以需要发现根本上全新的机理在超级电容器的存储密度上实现下一个显著的跃进。本发明提供一种这样的新机理。

最近，石墨烯，也即六角形阵列的碳原子的高度分散的原子层，已经吸引了设法制造用于分子电子领域中的新复合材料的那些人的兴趣，这归因于它的高电导率和良好的机械性能。高的导电性、良好的机械性能、高的表面积和低的制造成本的结合使得石墨烯成为电化学应用的理想候选材料。假设碳材料有2600 m²/g的活性表面面积和10 μF/m²的典型电容，石墨烯有潜力在理论比容量上达到260 F/g。然而，这一高电容还没有达到，因为已证明很难完全地分散石墨烯片和访问所有的表面面积。