[发明专利]石墨烯/氢氧化钴-铁氰化钾/氢氧化钾超级电容器储能电极体系的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高能量密度、高功率密度、长循环寿命的超级电容器电极材料和相关电解液体系。本发明所用电极材料为石墨烯基氢氧化钴复合电极材料，电解液为铁氰化钾和氢氧化钾的混合电解液。实现固相电极材料和液相电解液同时提供赝电容，使该电极体系的电容大幅度提高，不仅具有高能量密度，而且具有高功率特性和循环稳定性。

背景技术

随着人类社会的进步，能源的需求飞速增长，全球变暖和能源危机已成为人类必须面临的严峻挑战，发展新型的能量存储装置成为21世纪人类解决能源问题新的有效途径。目前储能器件主要有电池和电容器。电池具有高的能量密度，但其功率密度无法达到超级电容器的水平。电容器具有高的功率密度和使用寿命，但其能量密度往往明显低于电池，限制了其应用范围。近年来，许多应用领域对储能装置功率密度和能量密度的要求越来越高，尤其是对于那些移动式的电子设备、车辆、大型军事装备、野外作业、空间飞行物等，因此为超级电容器的发展和应用提出了新的挑战。开发同时具备高能量密度、高功率密度、长循环寿命的新型能量存储装置非常迫切。

为了提高超级电容器的能量密度，研究者一方面从提高电极材料比电容和提高工作电压进行材料开发，另一方面设计了电池与电容器的混合系统，以实现电池和电容器优势互补。但是大多研究都在电极材料上下功夫，如掺杂、修饰、改性等，很少有人考虑让液相的电解液也能储存和释放电能。

发明内容

本发明的目的在于，从以上背景出发，提出一种新型的石墨烯/氢氧化钴-铁氰化钾/氢氧化钾超级电容器储能电极体系的制备方法。特别是一种以石墨烯/氢氧化钴为超级电容器的固体电极材料，以铁氰化钾和氢氧化钾的混合水溶液为电解液的方法，实现固体电极和电解液同时提供赝电容，提高超级电容器的电容特性。首先以化学气相沉积作为手段，以碳源气体作为反应气体，氩气作为电离气体制备少层石墨烯，从根本上克服普通化学方法制备的石墨烯缺陷多、分散性差及导电性差的缺点。通过化学气相沉积方法在金属基底上直接生长少层石墨烯，然后通过电化学沉积的方法将氢氧化钴沉积在石墨烯表面，得到了超级电容器的固体电极材料。将该电极放入铁氰化钾/氢氧化钾混合电解液中，测试结果表明该超级电容器电极体系比电容高、充放电性能优异、循环稳定性好。

本发明上述目的技术方案通过以下技术方案实现：

选择泡沫镍、多孔钛或其他导电性金属材料作为基底，使用有机小分子烃类化合物作为碳源气体，同时通入氩气作为离化气体，控制反应温度，进行化学气相沉积，从而在基底上制备出少层石墨烯。然后以硝酸钴为电解液，将以上生长的石墨烯作为工作电极，铂片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，进行电化学沉积，从而在石墨烯基底上生长出氢氧化钴。以石墨烯/氢氧化钴为工作电极，铂片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，以铁氰化钾/氢氧化钾混合水溶液为电解液，进行电化学电容性能的测试。

一种石墨烯/氢氧化钴电化学超级电容器电极材料的制备方法，所用固体电极材料为石墨烯/氢氧化钴，所用电解液为铁氰化钾和氢氧化钾的混合电解液，实现固体电极和电解液同时提供赝电容，具体步骤包括：

步骤A：将基底材料置于真空装置中，在保护气体氩气氛围下加热至反应温度，待温度达到反应温度后，通入反应气体，保温一段时间，使气体混合均匀；

步骤B：利用等离子体增强化学气相沉积法，调整反应气压，设定射频功率及电离时间，在衬底上沉积石墨烯，使碳源气体、氩气在射频电源的作用下离化、分解成为等离子体，通过化学反应，最终在基底上沉积少层石墨烯；

步骤C：反应结束后，停止通入反应气体，继续通保护气体，冷却至室温；

步骤D：将沉积少层石墨烯的基底浸入装有硝酸钴电解液的电解槽中，并将电解槽置于恒温水浴槽内，升温至预定反应温度时，保温一段时间，使电化学沉积系统维持恒温。

步骤E：将恒压恒流电源电位或电流调整至实验所需数值，在一定浓度的硝酸钴电解液中，按实验预定沉积电量进行电沉积；电沉积完毕后，用去离子水清洗电极表面多次，自然晾干，即可得到石墨烯/氢氧化钴电极。

步骤F：铁氰化钾/氢氧化钾混合水溶液为电解液，以石墨烯/氢氧化钴为工作电极，铂片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，进行电化学性能测试。

步骤A中，所述基底材料选自泡沫镍、多孔钛、不锈钢网、镍片、钛片或铁片等常用衬底材料；所述保护气体氩气流速10～40sccm，压强为100～500Pa；所述反应气体为碳源气体，所述反应温度为600～900℃；所述保温时间为5～30min。