[发明专利]一种用于超级电容电池的石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种作为超级电容电池电极材料使用的石墨烯及其制备方法，属于电容器及其新材料领域。

背景技术

石墨烯是一种二维晶体，碳原子按照六边形进行排布、相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定。石墨烯在室温下传递电子的速度比已知导体都快，其在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学(Relativistic quantum physics)才能描绘。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。它是人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。

在石墨烯被发现之前，碳材料已经是一种重要的电容器电极材料，并已被成功商业化。但是，碳材料作为电容器电极材料使用时，比表面积利用率低，原因是其含有大量的微孔，而这些孔径小于2nm的微孔不能有效形成双电层。除此之外，碳材料作为电容器电极材料还存在导电性差的问题。与碳材料相比，石墨烯作为电容器电极材料具有非常显著的优势：(1)石墨烯的平面层片状结构有利于电解液的浸润和离子的吸附/脱附，有助于提高电容器的储能密度和功率特性，不会存在类似碳材料的比表面积利用率低的问题；(2)石墨烯具有大的比表面积，单层石墨烯的比表面积理论值为2630cm²/g(Stoller M D，Park S J，Zhu Y W，et al.Graphene-Based Ultracapacitors.Nano Lett，2008，8(10)：3498～3502)，实验测得的单层石墨烯的比电容值为21μF/cm²(Wang H L，Casalongue H S，Liang Y Y，et al.Ni(OH)₂Nanoplates Grown on Graphene as Advanced Electrochemical Pseudocapacitor Materials.J Am Chem Soc，2010，132(21)：7472～7477)，由此计算得到，石墨烯基双电层电容器比电容最高为550F/g，即使由于石墨烯片层之间的堆叠、团聚，其比电容值也可以达到100～230F/g，高于碳材料制成的双电层电容器；(3)石墨烯具有优异的导电和导热性能，可以有效降低电容器的内阻值，并提高其散热性能。

超级电容电池是一种兼具二次电池(高的能量密度)及超级电容器(高的功率密度)特性的新型储能器件。为了满足同时具备二次电池及超级电容器的特性，超级电容电池电极材料需要具有高的比电容值。显然，经过处理和修饰的且有高比电容值的石墨烯材料是一类理想的超级电容电池用电极材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供了一种用于超级电容电池的石墨烯及其制备方法。

本发明提出的一种用于超级电容电池的石墨烯及其制备方法，首先从鳞片石墨或高温膨胀石墨出发，通过低、中、高温三段恒温氧化处理，使石墨充分氧化、分层，并通过氧化剂的修饰作用使石墨片层的表面和边缘携带含氧基团，从而制备得到氧化石墨烯；然后，将制备的氧化石墨烯进行膨化、还原处理，释放表面能，取舍含氧基团、增加分散性，最终获得具有比表面积大、导电性能好、比电容值高的石墨烯。

本发明提出的一种用于超级电容电池的石墨烯及其制备方法，具体步骤如下：

(1)称取重量比为1∶0.5∶3的石墨5g～150g、硝酸钾2.5g～75g和高锰酸钾15g～450g混合均匀，置于反应釜中，量取115～3450mL98％浓硫酸加入反应釜中。

(2)将步骤1中反应釜置于恒温箱中进行低温、中温和高温的三阶段恒温氧化反应，在温度为0℃～4℃的低温段恒温氧化反应，然后在温度为35℃～45℃的中温段恒温氧化反应，最后在温度为80℃～100℃的高温段恒温氧化反应。

(3)待步骤(2)进行反应完成后，加入75mL～2250mL的氧化剂进行氧化反应，然后对氧化产物进行酸洗和水洗，最后烘干。