[发明专利]石墨烯/碳纳米管复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种石墨烯/碳纳米管复合材料及其制备方法。本发明还涉及该石墨烯/碳纳米管复合材料作为电极材料应用在电化学电容器中。

背景技术

超级电容器又称电化学电容器或者双电层电容器，它是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件，与传统电容器相比具有更高比电容量和能量密度，与电池相比则具有更高的功率密度。由于超级电容器具有充放电速度快、对环境无污染和循环寿命长等优点，故极有希望成为本世纪新型的绿色能源。电极材料是超级电容器的重要组成部分，是影响超级电容器电容性能和生产成本的关键因素，因此研究开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研究工作的重要内容。目前研究的超级电容器的电极材料主要有碳材料、金属氧化物及其水合物电极材料以及导电聚合物电极材料等。

目前双电层超级电容器的电极材料主要为碳材料，因其具有优良导热和导电性能、较高的比表面积，所以被广泛用于电化学领域作电极材料。目前，碳基电极材料的研究主要集中在研发具有高比表面积、内阻较小的多孔碳材料等方面。石墨烯具有高的比表面积、极好的导电性、优良的导热性，通过氧化石墨还原法获得的石墨烯的性价比较高，且稳定性好，是超级电容器的理想电极材料。使用石墨烯制造出的超级电容器将会比目前所有的超级电容器的能量存储密度都高。但是实际制备出来的石墨烯电极材料由于团聚等原因，容量偏低，水系中容量为135F/g，有机系容量99 F/g，距离理论容量（550 F/g）相差较远。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的问题和不足，提供一种石墨烯/碳纳米管复合材料及其制备方法，该石墨烯/碳纳米管复合材料可作为电极材料应用在电容器或电化学电池中。本发明制备出的石墨烯/碳纳米管复合材料，针对石墨烯电极材料容量偏低的问题进行改进，通过复合碳纳米管防止石墨烯团聚，提高了双电层容量，在石墨烯上引入羰基增加赝电容，达到增加电极材料电容的效果。

本发明针对上述技术问题而提出的技术方案为：一种石墨烯/碳纳米管复合材料及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：(a) 制备氧化石墨烯悬浮液：将氧化石墨放入水中超声得到浓度为0.5mg/L的氧化石墨悬浮液，然后按质量体积比1mg：（1~10）mL在所述氧化石墨悬浮液中加入硝酸，超声后得到氧化石墨烯悬浮液。

(b) 制备碳纳米管悬浮液：将碳纳米管加入到水中，超声后形成碳纳米管悬浮液。

(c) 制备氧化石墨烯/碳纳米管复合物：将得到的所述氧化石墨烯悬浮液和所述碳纳米管悬浮液按体积比为1:（0.43~2.33）混合，超声后过滤干燥，得到氧化石墨烯/碳纳米管复合物。

(d) 制备石墨烯/碳纳米管复合材料：将所述氧化石墨烯/碳纳米管复合物放入惰性气体氛围中加热后冷却，即得到石墨烯/碳纳米管复合材料。

在所述步骤(a)中，所述硝酸的浓度为50~70%；所述超声的时间为0.5~1h。

在所述步骤(b)中，所述超声的时间为0.5~1h；所述碳纳米管悬浮液的浓度为0.5mg/L；所述碳纳米管为电导率103~105S/m的单壁碳管或多壁碳管。

在所述步骤(c)中，所述超声的时间为1~2h，所述干燥的温度为60~80℃。

在所述步骤(d)中，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气或氖气中的一种，所述加热是在马弗炉中进行的，所述加热的反应温度为500~700℃、反应时间为0.5~1h。

本发明还提出上述石墨烯/碳纳米管复合材料可作为电极材料应用在电容器中，该电化学电容器包括由电化学电容器电极片、隔膜、电化学电容器电极片按顺序层叠组成的电芯、用于纳置所述电芯的密闭壳体，以及加注在所述密闭壳体的电解液，所述极片包括集流体以及涂覆在该集流体上的浆料，所述浆料包括按质量比95:3:2混合的电极材料、粘结剂聚偏氟乙烯、以及导电剂乙炔黑，所述电极材料采用以上所述的石墨烯/碳纳米管复合材料。

所述电解液为1-正丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-4-甲基咪唑二（三氯甲磺酰亚胺）盐、或四氟硼酸四乙基铵与乙腈的混合溶液中的一种。

与现有技术相比，采用本发明的制备方法所制备的石墨烯/碳纳米管复合材料，针对石墨烯电极材料容量偏低的问题进行改进，通过复合碳纳米管防止石墨烯团聚，提高了双电层容量，在石墨烯上引入羰基增加赝电容，达到增加材料电容的效果。

附图说明

图1是本发明实施例1所制备的石墨烯/碳纳米管复合材料的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明予以进一步地详尽阐述。