[发明专利]一种基于垂直取向石墨烯的超级电容器电极及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及储能材料技术领域，尤其涉及一种基于垂直取向石墨烯的超级电容器电极及其制作方法。

背景技术

储能是能源利用和可持续发展过程中的重要环节，储能技术的发展是推动新能源规模化发展的关键性因素。超级电容器（Supercapacitors）是一种介于传统电容器和二次电池之间的电化学储能装置。严格意义上的超级电容器为双电层电容器，其工作原理是德国物理学家亥姆霍兹（H. Helmholtz）于1853年提出的界面双电层理论（Electrochemical double-layer capacitance），即通过活性材料和电解液界面上的电荷分离过程产生静电电容进行储能。传统双电层超级电容器一般采用具有较大比表面积的多孔碳结构作为储能活性材料，如：活性炭（～1200 m²/g）、炭黑（80～230 m²/g）、碳纤维（～1630 m²/g）、石墨布（～630 m²/g）、碳凝胶（～650 m²/g）等，从而使得活性材料在与电解液的单位接触界面上可以存储更多的离子并实现法拉级电容。同时，由于双电层超级电容器的静电储能原理，理论上可以实现比电池高1～2个数量级的充电速度，功率密度是电池的5～20倍，循环充放电次数是电池的100～200倍，体现出大功率快速充电及长循环寿命的潜力。因此，开发出兼具高电容、高功率密度和高能量密度的高性能超级电容器，将有效推动我国新能源规模化发展，潜在的应用领域包括风电光伏产业、智能电网建设和新能源汽车产业等。

超级电容器性能提高的关键是储能活性材料的突破。石墨烯（graphene）是由碳原子按照sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的二维晶体结构，厚度仅为单层碳原子直径。由于其独特的二维结构以及优异的晶体品质，石墨烯拥有巨大的比表面积（2630 m²g^-1），同时在导电性（电子迁移率20000 cm²V^-1s^-1）、导热性（导热系数5300 Wm^-1k^-1）、机械力学强度（强度极限42 Nm^-1）等方面均表现出非常优异的特性。2004年英国曼彻斯特大学的海姆（Geim A.）和诺沃肖洛夫（Novoselov K.）等人首次将石墨烯从石墨中分离出来（Novoselov KS, Geim AK, et al. Science, 2004; 306: 666-669）。基于这种新型纳米材料所展现出的优异性能和巨大应用潜力，两人共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯所拥有的巨大的比表面积（2675 m²/g，目前所有碳材料中最高），使得其具有作为超级电容器电极活性材料进行高效储能的潜力。研究表明，石墨烯在离子电解液中可以在保持高功率密度（9838 W/kg）和高充电速度（小于2 min）的同时，实现53.1 Wh/kg的能量密度，基本达到金属氢化物镍电池的水平；在80 ^oC工作温度下的最高能量密度可以达到136 Wh/kg（Liu, C. G., et al. Nano Lett. 2010, 10, 4863-4868）。理论上来说，如果对石墨烯的巨大比表面积进行充分利用，可以实现～550 F/g的电容。