[发明专利]石墨烯纸集流体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集流体，特别是涉及一种石墨烯纸集流体的制备方法。

背景技术

超级电容器是一种新型能量存储装置，具有高功率密度（为普通电池的10倍以上）、高循环寿命（循环次数可达10万次以上）、快速充放电性能好等优点，被广泛应用于军事领域、移动通讯装置、计算机、以及电动汽车的混合电源等。通常超级电容器的主要由电极活性物质层、电解质、隔膜、集流体、外壳等组装而成。现有的超级电容器的能量密度一般比较低，影响能量密度的因素主要有电极材料的电容，体系的电压，电极材料占电极活性物质层、集流体、外壳材料组成的总重量的比重等等，因此，增加电极材料的储能性能和降低器件各个组成材料的重量可以有效提高器件的性能。其中，降低集流体的质量是一个有效的提高能量密度的方法。

集流体是一种汇集电流的结构或零件，主要功能是将电池活性物质产生的电流汇集起来，提供电子通道，加快电荷转移，提高充放电库仑效率。作为集流体需要满足电导率高、机械性能好、质量轻、内阻小等特点。

目前，大多数的文献中或行业中，一般集流体正极采用铝箔、负极采用铜箔，由于金属集流体的密度较大，质量较重，一般集流体的重量占整个电池的20-25%，则电极材料占整个电池的比重大大减少，最终导致超级电容器的能量密度较低。

自从英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等在2004年制备出石墨烯材料，由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。单层石墨由于其大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的材料。如：①高强度，杨氏摩尔量，(1,100GPa)，拉伸强度：(150-180GPa)；②高电导率（108S/m）；③高的比表面积，(理论计算值：2,630m2/g)。石墨烯可通过一定的方法制备成石墨烯薄膜或石墨烯纸，由于石墨烯的比表面积较大，其密度较低，则石墨烯纸的质量较轻，同时其高的机械性能和高电导率也能满足集流体应用的基本性能指标，因此基于石墨烯所制备的石墨烯纸可充当集流体使用，并可降低集流体的质量。

然而，传统的通过石墨烯悬浮液直接过滤的方法制备石墨烯纸时，制备的石墨烯纸往往因为存在大量缺陷而导致电导率较低。

发明内容

基于此，有必要提供一种电导率较高的石墨烯纸集流体的制备方法。

一种石墨烯纸集流体的制备方法，包括如下步骤：

将石墨、高锰酸钾与浓硫酸进行氧化反应后得到氧化石墨；

将所述氧化石墨加入溶剂中，配制成氧化石墨溶液；

将所述氧化石墨溶液超声搅拌，得到均匀分散的氧化石墨烯悬浮液；

将所述氧化石墨烯悬浮液放入反应釜中进行反应，得到石墨烯悬浮液；

采用微孔滤膜真空过滤所述石墨烯悬浮液，烘干，然后从滤膜上剥离后得到石墨烯纸；及

将所述石墨烯纸在惰性气体的氛围下，于500~1000℃下通入还原性气氛，进行还原反应，冷却到室温，得到所述石墨烯纸集流体。

在其中一个实施例中，所述氧化石墨采用如下方法制得：将石墨加入浓硫酸中，然后加入高锰酸钾，保持在10℃以下，搅拌2h，在室温水浴搅拌均匀后，在冰浴条件下缓慢加入去离子水，对石墨进行氧化，最后加入过氧化氢除去高锰酸钾，抽滤，用稀盐酸和去离子水对固体物进行反复洗涤，干燥，得到氧化石墨。

在其中一个实施例中，所述溶剂为DMF或NMP的水溶液，其中，所述DMF或NMP与水的体积比为9:1~5：5。

在其中一个实施例中，所述氧化石墨溶液的浓度为0.25~1mg/ml。

在其中一个实施例中，所述超声搅拌的时间为0.5~1小时。

在其中一个实施例中，所述氧化石墨烯悬浮液在反应釜中的反应温度150~200℃，反应时间为5~12小时。

在其中一个实施例中，将所述石墨烯纸在惰性气体的氛围下，先以1~5℃/min的速率升温至200℃，保温5分钟，再以5~10℃/min的速率升温至500~1000℃。

在其中一个实施例中，所述还原反应的时间为0.5~2小时。

在其中一个实施例中，所述惰性气体为氩气，所述氩气的流量为50~70ml/分钟。

在其中一个实施例中，所述还原性气氛由按体积比90~95%的氩气与5~10%的氢气组成。

上述方法通过溶剂热法还原掉环氧基团，再通过氢气与氮气的混合气体还原其他官能团，还原较为彻底，且避免了热还原的过程中，有环氧基团的存在会导致大量的缺陷和碳原子的损失，因此能够提高石墨烯纸集流体的电导率。

附图说明