[发明专利]石墨烯复合材料及其制备方法、锂离子电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯复合材料及其制备方法，以及采用该石墨烯复合材料的锂离子电容器。

背景技术

随着传统化石能源的高强度消费和价格的持续上涨，新能源资源的开发利用受到世界各国高度关注。特别是国际金融危机爆发以来，新能源产业越来越成为新一轮经济发展的竞争焦点和战略制高点。近年来，为应对全球资源匮乏、化石价格高涨和防止地球变暖等，各国政府大力发展新能源汽车、太阳能和风能等急需的储能技术及器件。

传统的储能器件一直以能量密度高的锂离子二次电池和功率密度高的双电层电容器为中心推进开发。锂离子二次电池具有能量密度高，广泛应用于手机、笔记本电脑、IPAD等数码电子产品领域，但是其功率密度和充放电循环寿命存在极限性，限制了其在太阳能、风能、动力汽车等新能源领域的应用。而双电层电容器由于具有功率密度高和充放电循环寿命长等优势，在小型电子仪表、电动汽车辅助动力、太阳能等领域均有广泛的应用，但是其能量密度较低，大大限制了双电层电容器的应用。随着实际应用对储能装置各项要求指标的不断提高，新的应用领域的不断开辟，人们期待着具有高能量密度、高功率密度、长寿命特性于一体的新型绿色储能器件的出现。

为了解决锂离子二次电池和双电层电容器难以支撑的应用领域的储能问题，人们研究开发出了一种正极与负极充放电原理不同的非对称电容器——锂离子电容器，即正极通过电双层的原理进行蓄电，负极通过添加锂离子并利用锂离子的氧化还原反应进行蓄电。锂离子电容器的正极采用活性炭，负极采用碳素材料，电解液采用锂离子有机物。为了提高锂离子电容器的静电容量，预先通过化学方法使得负极的碳素材料中掺杂锂离子或通过电化学方法使负极的碳素材料吸纳和承载锂离子，从而降低负极电位，使锂离子电容器的电压升高至4V左右，提高了负极的静电容量，其单元整体的能量密度比传统双电层电容器高4倍以上，功率密度比传统锂离子电池高2倍以上。而且，锂离子电容器还具有热致击穿、老化和自放电少，是一种具有高能量密度、高功率密度、长寿命特性于一体的新型绿色储能器件。

采用炭材料作为锂离子电容器的负极时由于炭材料直接与电解液接触，会在负极表面发生不可逆的副反应，导致电解液分解和首次充放电容量损失等问题，最终影响锂离子电容器的能量密度。

发明内容

基于此，有必要提供一种可以提高锂离子电容器的能量密度的石墨烯复合材料及其制备方法，以及一种采用该石墨烯复合材料的锂离子电容器。

一种石墨烯复合材料，按照质量百分数包括30%~65%的石墨烯、15%~35%的经过化学气相沉积处理的石墨、0.04%~4%的导电剂以及15%~42%可溶性高分子聚合物；

所述可溶性高分子聚合物包覆所述石墨烯、经过化学气相沉积处理的石墨和导电剂形成局部有序的纳米线结构。

在一个实施例中，所述导电剂为导电性碳和导电金属化合物至少一种。

在一个实施例中，所述可溶性高分子聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚乙二醇、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈中的至少一种。

一种石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

对石墨进行化学气相沉积处理；

按照质量百分数将30%~65%的石墨烯源、0.04%~4%的导电剂、15%~42%可溶性高分子聚合物和15%~35%的经过化学气相沉积处理的石墨在溶剂中混合，分散均匀后得到石墨烯-石墨溶胶，接着对所述石墨烯-石墨溶胶进行静电纺丝处理得到石墨烯-石墨薄膜；及

在保护气体氛围下，对所述石墨烯-石墨薄膜进行热处理得到石墨烯复合材料；其中，所述可溶性高分子聚合物包覆所述石墨烯、经过化学气相沉积处理的石墨和导电剂形成局部有序的纳米线结构。

在一个实施例中，所述对石墨进行化学气相沉积处理的步骤为：在800℃~1200℃、沉积气体和载气的混合气氛下，控制等温式炉内压力为1.0kPa~2.0kPa，对所述石墨进行下化学气相沉积40h~100h；其中，所述沉积气体与所述载气的体积比为0.2~2，所述沉积气体为丙烯和甲烷中的至少一种，所述载气为氮气和氩气中的至少一种。

在一个实施例中，所述石墨烯源为单层石墨烯、多层石墨烯、氧化石墨烯、插层石墨烯和复合石墨烯中的至少一种；

所述导电剂为导电性碳和导电金属化合物至少一种；

所述可溶性高分子聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚乙二醇、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈中的至少一种；

所述溶剂为二甲基亚砜、乙醇、N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中和水中的至少一种。