[实用新型]常压下制备垂直石墨烯双电层电容器电极的装置

说明书

技术领域

本实用新型属于储能材料技术领域，涉及一种常压下制备垂直取向石墨烯双电层超级电容器电极的装置。

背景技术

超级电容器是一种介于传统电容器和二次电池之间的电化学储能装置，主要包括双电层电容和法拉第准电容（也称为赝电容）。双电层电容的原理是德国物理学家亥姆霍兹于1853年提出的界面双电层理论，即通过活性材料和电解液界面上的电荷分离过程产生静电电容进行储能。相比于法拉第准电容，双电层电容在电极和电解液表面没有化学反应，具有更快的充放电速度，更高的功率密度，更好的循环稳定性，以及更长久的充放电寿命。传统双电层超级电容器一般采用具有较大比表面积的多孔碳结构作为储能活性材料，如：活性炭（～1200m²/g）、炭黑（80～230m²/g）、碳纤维（～1630m²/g）、石墨布（～630m²/g）、碳凝胶（～650m²/g）等。石墨烯是一种具有优异性能的二维平面碳基纳米材料，拥有的巨大的比表面积（2675m²/g，目前所有碳材料中最高），因此适合作为双电层超级电容器电极活性材料，具有高效储能的潜力。

目前广泛采用的石墨烯双电层超级电容器电极是通过以下步骤实现的：首先通过Hummer法制备出氧化石墨烯，然后通过化学还原或热还原法得到石墨烯，最后通过粘结剂将石墨烯粘在集流体表面得到电极（Eda，G.，et al.Nat.Nanotechnol.2008，3，270-274)。专利申请号为201110093737.9、201110048734.3、201110060953.3等专利文件中公开了石墨烯材料的多种制备方法。但是通过这些方法制作的电极中石墨烯都平行于集流体表面，由于范德华力的作用而极易重新团聚，不利于材料在电解液中的浸润和离子扩散迁移，阻碍了对石墨烯巨大比表面积的充分利用。另外，粘结剂的使用也在一定程度上影响了石墨烯的储能性能。

采用等离子体化学气相沉积法可以实现在基体表面直接生长垂直取向石墨烯。其原理是采用气体放电产生含有CH₃，C₂和H等基团的等离子体，通过化学气相沉积在基体表面成核，然后进一步形成片状多层石墨烯纳米结构。所采用的等离子体源主要包括微波等离子体源，133Pa（Wu YH，Qiao PW，et al.Advanced Materials，2002;14:64-67）；射频电感耦合等离子体源，12Pa（Wang JJ，Zhu MY，et al.Applied Physics Letters，2007;90:123107），射频电容耦合等离子体源，13.3Pa（Hiramatsu M，Shiji K，et al.Applied Physics Letters，2004;84:4708-4710）等。上述等离子体气相增强化学气相沉积过程所要求的低压或真空，严重影响了石墨烯的生长速度和生长面积，阻碍了这种优质纳米材料大规模制备与应用。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种常压下制备垂直取向石墨烯双电层超级电容器电极的装置。

常压下制备垂直石墨烯双电层电容器电极的装置包括石英管、加热炉、集流体、针形电极、高压负电电源、惰性气体入口、氢气入口、鼓泡瓶和碳源气体入口；集流体和针形电极布置在石英管内，针形电极外接高压负电电源，针形电极的针尖正对集流体设置，集流体接地；石英管放置在加热炉内；石英管一端开放，另一端布置有惰性气体入口、氢气入口和碳源气体入口，其中碳源气体入口通过鼓泡瓶与石英管相连。

所述集流体为金属导体。

所述集流体和针形电极针尖的间距为1～20毫米，优选10毫米。

所述针形电极的锥度为1：5～1：20。

所述惰性气体为氩气或氦气。

所述碳源气体为甲烷或乙炔。

所述鼓泡瓶中装有去离子水。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果：

1）通过等离子体化学沉积法制备的垂直取向石墨烯纳米片不存在明显的石墨烯团聚现象，且间距可控。通过对制备参数的合理控制，可以实现不同的相邻石墨烯纳米片间距。有可能实现石墨烯间距与离子尺寸的良好匹配，从而促进电解液的浸润、双电层电容的形成、以及离子的扩散和吸附，进而提高石墨烯的有效储能面积。

2）可实现双电层超级电容器电极材料的一步式制作，避免了传统电极制备过程中粘结剂的使用，去除了粘结剂对储能特性的负面影响，将有可能实现超级电容器的内阻降低和功率密度提高。