[发明专利]一种石墨烯导电薄膜及其在电化学电容器中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯导电薄膜及其在电化学电容器中的应用。

背景技术

石墨烯（graphene)是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，由单原子厚度的SP²杂化碳原子构成，可在二维空间无限延伸，是严格意义上的二维材料。2004年，Novoselov等首次用机械剥离法获得了单层石墨烯由此推翻了人们一直认为二维材料在室温不能稳定存在这一概念。完美的石墨烯由具有六边形晶格的单层石墨组成，具有理想的二维晶体结构，比表面积达到2600m²·g^-1。这种特殊的二维晶体结构决定了石墨烯具有许多独特的性质，例如导热系数高达5300 W/(m·K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2·V^-1·s^-1，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于其在电子工业领域潜在的应用价值，近年来引起了科学界广泛的关注，对其研究正掀起一股热潮。

随着气候变化和化石燃料使用殆尽，当今世界正将视线转移到持续可再生资源上。从低CO₂排放的电力运输工具到混合动力运输工具，再到太阳能、风能，新能源发展前景一片大好。但是考虑到太阳能和风能受时间和条件的限制，能量存储系统此时起着至关重要的作用。常见的储能器件包括电池和超级电容器。锂离子电池存在难以克服的缺点，例如较低的功率密度和较长的充放电时间，而超级电容器恰好克服了这一缺陷。超级电容器，又被称为电化学电容器。它可以在数秒中内完成充放电过程，将来有望在储能领域补充或者代替锂离子电池，例如作为无干扰功率供应设备、保护器件等。超级电容器填补了电池和传统固态电容器间的鸿沟。同时，超级电容器被认为是具有环境友好性、无污染和免维修等特点，成为当今世界新能源研究的热点和焦点。

碳材料是最早也是目前研究和应用最为广泛的超级电容器电极材料之一，目前对超级电容器的研究主要集中在开发具备高容量和能量密度及低价的材料等方面。石墨烯的发现促使人们开始探究其在超级电容器中应用的可能性。特别是通过氧化石墨烯制备的石墨烯成本低廉，且可以量产，为其发展前景注入了一剂兴奋剂。

氧化还原法是最常用可以实现大规模制备石墨烯的方法。制备氧化石墨的方法采用美国专利US2798878公布的Hummers法或其改进方法。这种方法是用硫酸和硝酸等强酸对原料石墨进行质子化处理，形成一阶石墨层间化合物，然后加入高猛酸钾等强氧化剂对其进行氧化。对于一般制备的石墨烯，我们希望结构完整，化学稳定性高。但是通过还原制备的二维石墨烯晶体表面呈惰性状态，片层之间有较强的范德华力，容易产生聚集，并与其它介质的相互作用较弱，极难溶于水及常用的有机溶剂，对它的进一步应用造成了限制。为了充分发挥其优良性质，可以通过引入特定的官能团，对其表面进行修饰，从而扩展其应用领域。

目前，超级电容器电极材料一般采用具有较大比表面积的活性炭，如中国专利02112894.4介绍一种超级电容器用活性炭的处理方法，其特征是用金属离子Al³⁺、Li⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ti⁺、Pb²⁺中的任何一种在活性炭表面进行欠电位沉积，为电化学双层电容器提供法拉第准电容。可以将所述离子溶液的任一种加入超级电容器KOH电解液中，也可以用所述离子溶液的任一种修饰活性炭粉，使其微孔里沉积该种离子。虽然活性碳由于其成本低廉和高比表面积，广泛使用在超级电容器电极材料中，但是活性炭的导电性和比表面积远低于石墨烯，用活性炭制备的超级电容器仍不能满足汽车等对快速充放电的需要。

发明内容

在本发明的目的是为了连续化生产石墨烯导电薄膜，并将其应用于制备具有更高能量密度和功率密度的柔性化学超级电容器。

为了实现以上目的，本发明提出以下技术方案：

一种石墨烯导电薄膜，包括基材和附着在其上的氧化石墨烯，所述石墨烯导电薄膜的制备方法包括以下步骤，

a.将氧化石墨烯水溶液涂覆在基材上，所述水溶液浓度为0.1~5mg/mL，涂覆厚度为10~100μm；

b.将基材上的涂覆液烘干； 

c.重复a和b步骤；