[发明专利]一种石墨烯-离子液体复合电极及其制备方法与电化学电容器

说明书

技术领域

本发明涉及电化学电源领域，尤其是一种石墨烯-离子液体复合电极及其制备方法与电化学电容器。 

背景技术

电化学电容器是一种介于电容器和电池之间的新型储能器件。与传统的电容器相比，电化学电容器具有更高的比容量。近年来，随着电化学电容器的发展，逐渐出现了以石墨烯为电极材料的电化学电容器。现有技术中这类电化学电容器的电极以石墨烯材料为主体，加入乙炔黑作为导电剂，聚偏氟乙烯作为粘结剂，制成浆料后涂覆在金属箔片，干燥并裁切成型得到电极片。导电剂、粘结剂与集流体（即金属箔片）的加入，这不仅增加了电极的内阻，更导致了活性材料的比重下降，严重制约了电化学电容器的能量密度和功率密度，而且也使得石墨烯电极的制备工艺复杂化，导致其在电化学电容器中的应用受到了诸多方面的限制。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种石墨烯-离子液体复合电极及其制备方法，该方法将插层石墨悬浮于离子液体中进行超声处理，制得石墨烯-离子液体复合材料后直接压制成石墨烯电极，无需使用导电剂与粘结剂，也不必单独制备集流体，不仅提高了石墨烯电极的效能，也简化了其制备方法。本发明还提供了包括该石墨烯-离子液体复合电极的电化学电容器。 

第一方面，本发明提供了一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法，包括： 

取氯化物插层石墨，按照固液比为1g：10~100mL的比例加入到熔融的离 子液体中，以400～800W的功率超声剥离0.5～24小时，得到石墨烯、离子液体和氯化物的混合液； 

将所述混合液置于电场强度为100～1000V/m、电场方向为竖直向上的环境中，离心处理1～10分钟后，除去上清液，得到石墨烯-离子液体复合材料； 

将得到的石墨烯-离子液体复合材料置于成型模具中，然后对模具盖施加10～30MPa的压力，冷却至室温，固化，得到石墨烯-离子液体复合电极。 

优选地，所述氯化物插层石墨采用如下步骤制得：取石墨和氯化物插层剂按质量比1：0.8～1.2进行混合，置于密闭的容器中以460～550℃热处理2～6小时，反应结束后冷却至室温，经清洗干燥后得到氯化物插层石墨。 

更优选地，所述石墨为天然磷片石墨或人造石墨。 

更优选地，所述氯化物插层剂为氯化铁、氯化镍、氯化铜、氯化钴、氯化钾、氯化镁、氯化铅、氯化锌、氯化钙和氯化钡中的至少一种。 

更优选地，所述清洗干燥的操作为：将反应物倒入去离子水中，滤取滤渣置于真空干燥箱中于80～100℃干燥4～6小时。 

优选地，所述离子液体为凝胶状或凝固状的离子液体；所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐和1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。 

优选地，所述离子液体熔融时的熔融温度为150~300℃。 

优选地，所述离心，转速为1000～5000转/分钟。 

本发明先将氯化物插层石墨悬浮于离子液体中进行超声处理，可制得分散性好、单层率高的石墨烯-离子液体复合材料，由于离子液体为凝胶状或凝固状，本身具有较好的粘性与导电性，可以充当电极中的导电剂与粘结剂，因此本发明所述石墨烯-离子液体复合电极无需额外添加导电剂与粘结剂；本发明以作电极材料的石墨烯是采用超声剥离的方法制得的，没有使用强氧化剂，石墨烯的良好的片层三维结构被很好的保留下来，其三维网络多孔结构和高导电性可为 电子提供了快速扩散通道，可实现电极材料的快速充放电性能，因此本发明所述石墨烯-离子液体复合电极也不需要制备集流体；制备方法简单，原料简单易得，成本低，易于实现工业化。 

第二方面，本发明提供了一种石墨烯-离子液体复合电极，所述复合电极是由上述制备方法制得的。 

本发明所述石墨烯-离子液体复合电极，不含导电剂与粘结剂，也不含集流体，全部材料均为活性成份石墨烯与离子液体，大大提高了活性物质的比重，降低了电极的内阻与接触电阻，提高了电极的功率密度。 

第三方面，本发明提供了一种电化学电容器，包括正极、隔膜和负极，所述正极和负极为由上述制备方法制得的石墨烯-离子液体复合电极，所述隔膜为浸泡过离子液体的隔膜。 

优选地，所述隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯聚丙烯复合隔膜和无纺布隔膜中的一种。