[发明专利]一种超级电容器的石墨烯材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电器元器件的电子材料技术领域，尤其涉及一种超级电容器材料技术领域。

背景技术

超级电容器(supercapacitor，ultracapacitor)，又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor，EC)，黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近，如图1所示，图中多孔电极板外侧为电极(Electrode)，内侧为碳基(Carbon)材料，两个多孔电极板之间为电解液(Electrolyte)，电解液中间设置有隔膜(Separator)用于阻挡正负电荷通过。超级电容器通过在电极表面形成电解液离子的双电层结构来存储能量。由于超级电容器在充放电过程中不发生电化学反应，因此其循环次数通常大于100万次。作为超级电容器材料，它具有较小的内阻，可实现高倍率充放电，对电动车、手机电池等动力产品具有深远的意义。与此同时，超级电容器的存储容量比传统电容器高出许多，因此有望成为理想的新型能量存储元件。作为超级电容器的碳基材料需要较大的比表面积，较好的电解液浸润性、良好的导电性以及较低的内阻。过去通常所使用的碳基材料有活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶以及碳纳米管。其中活性炭微孔数量有限，容量较小，当活性炭比表面积达到1200m2/g时，比容量不再增大。碳纳米管虽然具有超高的比表面积，比容量也很大，但因为价格昂贵，且制作成本高，目前难以大规模生产制备。因此这些材料目前并不是理想的超级电容器材料。

石墨烯(Graphene)是一种碳原子密堆积的单原子层，于2004年被英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫共同发现，由于具有良好的透光性、导电性和极高的机械强度而受到国内外广泛关注。经过6～7年的发展，石墨烯在电子器件、光电、能源方面具备了相当的研究与应用。石墨烯因具有高导电性和大比容量而成为理想的超级电容器的炭基材料，但由于能量密度较小，现阶段只能用于辅助性能量存储器件。为此许多研究都致力于提高超级电容器容量与能量密度。

最近Nano Lett(期刊名称).2011，11(日期)，1423-1427(页数)公开了一种超薄石墨烯超级电容器的制备方法，在176mA/g电流密度下其比容量可以达到247.3F/g。但由于其工艺复杂，设备要求过高不适宜工业生产。现有公开号为CN102013330的发明专利申请公开了石墨烯与多孔氧化镍复合超级电容器薄膜材料，极大增加了电极比容量，但是循环性能并不稳定。如何改善基于石墨烯的双电层电容器的比容量，同时保证具有高能量密度，成为石墨烯超级电容器应用的一个瓶颈。因此有必要改进石墨烯以提高基于石墨烯的双电层电容器的比容量。

发明内容

本发明的目的是为了改进超级电容器的石墨烯材料本身的电化学性能和简化其制作工艺，提出了一种超级电容器的石墨烯材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种超级电容器的石墨烯材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：膨化石墨烯的制备：将1到2质量份的氧化石墨置于加热容器中，将加热容器密封，快速升温加热30-120s，制备0.5到1质量份的膨化石墨烯，所获得的石墨烯C∶O摩尔质量比为4∶1-10∶1；

步骤2：活化石墨烯的制备：将0.25到15质量份的ZnCl2配置成1-10mol/L的水溶液，加入0.5到1质量份的膨化石墨烯强搅拌6-24h得到混合溶液，用滤膜对混合溶液进行过滤，并用酸和去离子水进行多次清洗，直至过滤后的混合溶液呈中性，在50～150℃环境中真空干燥10～20h，在600-900℃的化学气相沉积系统(CVD)中通入CO2气体，反应1到6小时，反应完成后降至室温，即得所需石墨烯材料，在升温和降温过程中通入氮气进行保护。

在制备活化石墨烯的过程中，上述滤膜为再生纤维素膜、聚四氟乙烯膜或玻璃纤维过滤膜中的一种。所用酸为1-10％质量分数的盐酸或硝酸。

本发明的有益效果是：由于采用本发明的方法制备的石墨烯材料在不改变石墨烯成分的基础上，改善了石墨烯微孔结构，使其更有利于电荷存储，因此提高了石墨烯超级电容器的比容量，使其在有机电解液中电容器的比容量达到200F/g，能量密度可达到40Wh/kg。进一步的本发明的方法工艺过程简单，成本低廉。