[发明专利]石墨烯-纳米碳纤维复合集流体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯-纳米碳纤维复合集流体的制备方法。

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，超级电容器的能量密度的影响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，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，提高充放电库伦效率。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。

传统的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。且金属类集流体较容易被电解液所腐蚀。

石墨烯具有较大的比表面积，较高的导电率、高强度、较好的导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的材料。石墨烯可通过一定的方法制备成石墨烯薄膜或石墨烯纸，此石墨烯薄膜可用作集流体使用。它的质量较轻，理论密度为2.26g/cm³，仅为Cu密度(8.5g/cm³)的26%，且理论拉伸强度为1.5-1.8×10⁵MPa，约为铜箔拉伸强度（200MPa）的1000倍，因此理论上，以石墨烯薄膜作为集流体，可以大大降低集流体的质量。

但是，通过氧化还原法制备的石墨烯的拉伸强度较低，则使得石墨烯薄膜作为集流体使用时不能做的太薄。

发明内容

基于此，有必要提供一种可以制备出拉伸强度较好的石墨烯-纳米碳纤维复合集流体的石墨烯-纳米碳纤维复合集流体的制备方法。

一种石墨烯-纳米碳纤维复合集流体的制备方法，包括如下步骤：

按照质量比为1：1~2：1将氧化石墨和纳米碳纤维加入到溶剂中，超声分散得到氧化石墨烯-纳米碳纤维复合悬浮液；

向所述氧化石墨烯-纳米碳纤维复合悬浮液中加入水合肼溶液，混合后反应得到石墨烯-纳米碳纤维复合悬浮液；

采用微孔滤膜真空过滤所述石墨烯-纳米碳纤维复合悬浮液，烘干滤饼，将所述滤饼从滤膜上剥离后在500℃~1000℃、还原气氛下热处理，得到所述石墨烯-纳米碳纤维复合集流体。

在一个实施例中，所述按照质量比为1：1~2：1将氧化石墨和纳米碳纤维加入到溶剂中的步骤中，所述溶剂为离子水、乙醇、异丙醇、丙醇、N-甲基吡咯烷酮或N,N-二甲基甲酰胺。

在一个实施例中，所述超声分散得到氧化石墨烯-纳米碳纤维复合悬浮液的步骤中，所述超声分散的时间为1h~2h。

在一个实施例中，所述超声分散得到氧化石墨烯-纳米碳纤维复合悬浮液的步骤中，所述氧化石墨烯-纳米碳纤维复合悬浮液的总浓度为0.1mg/ml~5mg/ml。

在一个实施例中，所述向所述氧化石墨烯-纳米碳纤维复合悬浮液中加入水合肼溶液的步骤中，所述水合肼与所述氧化石墨烯的质量比为1：10~7：10。

在一个实施例中，所述向所述氧化石墨烯-纳米碳纤维复合悬浮液中加入水合肼溶液的步骤中，所述水合肼溶液中水合肼的质量分数为85%。

在一个实施例中，所述混合后反应得到石墨烯-纳米碳纤维复合悬浮液的步骤中，加入水合肼后，反应温度为80℃~100℃，反应时间为12h~24h。

在一个实施例中，所述将所述滤饼从滤膜上剥离后在500℃~1000℃、还原气氛下热处理的步骤为：

将所述滤饼放入管式炉中，通入保护气体排出所述管式炉内的空气，然后控制保护气体的流量为50ml/min~70ml/min，先以1℃/min~5℃/min的升温速率升温至200℃，保温5min，再以5℃/min~10℃/min的升温速率，升温至500℃~1000℃，通入保护气体和还原气体的混合气体形成还原气氛并保持温度0.5h~2h。

在一个实施例中，所述保护气体为氩气，所述还原气体为氢气，所述还原气氛为所述还原气体占所述还性气体与保护气体总体积的5~10%。