[发明专利]硼掺杂石墨烯复合薄膜电极材料及其制备方法、电化学电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯复合材料领域，特别是涉及硼掺杂石墨烯复合薄膜电极材料及其制备方法和使用该硼掺杂石墨烯复合薄膜电极材料的电化学电容器及其制备方法。

背景技术

电化学电容器作为一种新型储能器件，由于其充放电速率快、功率密度高、循环寿命长等优点，是继锂离子后又一极具应用潜力和开发价值的储能器件。然而能量密度较低是制约超级电容器发展和应用的一个关键因素，根据能量密度的计算公式E=1/2CV²，提高能量密度主要从两方面入手，一方面是提高电化学电容器的电压窗口；另外一方面是提高电极材料的比容量。电化学电容器的电压窗口主要与电解液的耐压范围有光，为了提高电化学电容器的电压窗口，目前开始采用离子液体作为电解液，它的化学窗口可达到4V~6V，能显著增加电化学电容器的能量密度，但离子液体由于粘度大，对电极材料的浸润性较差，这使得电极材料的比容量较难提高。

石墨烯作为一种二维单分子层材料，具有较高的比表面积和较高的电导率，石墨烯在掺硼后，由于硼的电负性，使石墨烯的储能效率更高，硼掺杂石墨烯是一种理想的电化学电容器电极材料，但该材料容易团聚，导致其实际比表面积并不大，而且与离子液体的浸润性较差，所获得的储能比容量并不高。

发明内容

基于此，有必要提供一种储能比容量较高的硼掺杂石墨烯复合薄膜电极材料及其制备方法、使用了该硼掺杂石墨烯复合薄膜电极材料的电化学电容器及其制备方法。

一种硼掺杂石墨烯复合薄膜电极材料，包括硼掺杂石墨烯薄膜和吸附于所述硼掺杂石墨烯薄膜上的离子液体。

在其中一个实施例中，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐（[EMIM]TF₂N）或1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐（[BMIM]TF₂N）。

在其中一个实施例中，所述硼掺杂石墨烯薄膜与所述离子液体的质量比为1:20~1:50。

一种硼掺杂石墨烯复合薄膜电极材料的制备方法，包括：

将石墨进行氧化，得到氧化石墨；

将所述氧化石墨分散在去离子水中，超声2小时~4小时，过滤，烘干，得到氧化石墨烯；

将所述氧化石墨烯与三氧化二硼混合后置于惰性气体的气氛下，升温至800°C~1300°C并保温0.5小时~2小时后冷却至室温，得到混合物，除去残余的三氧化二硼，洗涤，将洗涤后的固体物置于去离子水中超声，真空过滤后得到硼掺杂石墨烯薄膜，然后将所述硼掺杂石墨烯薄膜浸泡在去离子水中；及

将所述硼掺杂石墨烯薄膜从去离子水中取出，去除硼掺杂石墨烯薄膜表面的水分后，将所述硼掺杂石墨烯薄膜置于离子液体中浸泡，然后将吸附有离子液体的硼掺杂石墨烯薄膜置于真空环境中100°C~120°C加热12小时~24小时，抽滤，得到硼掺杂石墨烯复合薄膜电极材料。

在其中一个实施例中，所述氧化石墨烯与三氧化二硼的质量比为0.5:1~4:1。

在其中一个实施例中，所述升温至800°C~1300°C并保温0.5小时~2小时后冷却至室温的升温速率为10°C/min~30°C/min。

在其中一个实施例中，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐或1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐。

在其中一个实施例中，所述除去残余的三氧化二硼为将所述混合物置于质量分数为10%的盐酸中搅拌2小时后过滤。

一种电化学电容器，包括壳体及收容在所述壳体内的正极片、负极片、隔膜及电解液；

所述正极片和负极片包括硼掺杂石墨烯复合薄膜电极材料；

所述电解液为离子液体。

一种电化学电容器的制备方法，包括：

将硼掺杂石墨烯复合薄膜电极材料进行干燥和切片处理，得到正极片和负极片；

按照所述正极片、隔膜和所述负极片的顺序依次层叠组装得到电芯；及

在所述电芯外包覆壳体，并向所述壳体内注入由离子液体形成的电解液，密封后得到电化学电容器。