[发明专利]石墨烯/活性炭复合材料及制备方法、超级电容器

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体地讲，涉及石墨烯/活性炭复合材料及 其制备方法，还涉及该材料在超级电容器中的应用。

背景技术

超级电容器因其功率密度高、使用寿命长、充电速度快、免维护环保等特 点而在国防、航空航天、汽车工业、消费电子、通信等领域有着广泛的应用前 景。

传统的超级电容器电极以活性炭为原料。活性炭具有高的比表面积(1000 m²/g～3000m²/g)以及合适的孔容量，使得其比电容可达到100F/g～300F/g，因 而被广泛地用作超级电容器的电极材料。然而传统的超级电容器用活性炭自身 电导率较低，在使用时必须与导电剂配合使用，才能使超级电容器内阻控制在 较低的水平。导电剂在与活性炭混合过程中，需要均匀分布，且用量不能过大， 一般不超过20％。导电剂用量过大会使得电极容量相应下降，超级电容器单体 成本上升；而导电剂用量过少，不利于超级电容器内阻的降低。在实际生产中， 活性炭与导电剂的用量对超级电容器性能有着较大影响，但在开发超级电容器 过程中，这种用量难以准确把握，需要长时间地探索。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种石墨烯/活性炭复合材 料及其制备方法，该复合材料兼具了高比表面积与高导电性的优点。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种石墨烯/活性炭复合材料，所述复合材料包括石墨烯材料和活性炭材料， 其中，所述石墨烯材料具有褶皱结构，所述活性炭材料通过π-π键结合在所述石 墨烯材料的表面。

进一步地，所述复合材料具有纳米级介孔结构，孔径为1nm～100nm，孔容 量为1cm³/g～2cm³/g，比表面积为1000m²/g～3000m²/g，电导率为10³S/m～10⁶S/m。

进一步地，所述石墨烯材料具有多苯环结构。

进一步地，所述复合材料的粒径为5μm～30μm。

本发明的另一目的在于提供所述石墨烯/活性炭复合材料的制备方法，其特 征在于，包括步骤：A)将无定型炭材料进行初步炭化，得到初步炭化物；B) 制备褶皱石墨烯；C)将步骤A)得到的初步炭化物与步骤B)得到的褶皱石墨 烯在液相中充分混合，再将混合物进行二次炭化，得到最终活化物；D)将步骤 C)得到的最终活化物洗涤后经粉碎处理，获得所述石墨烯/活性炭复合材料。

进一步地，步骤B)制备褶皱石墨烯具体包括：用插层剂对石墨微片进行预 插层，经解理、微波处理后得到膨胀石墨烯；将所述膨胀石墨烯在加热后急剧 冷却，获得褶皱石墨烯。

进一步地，所述插层剂的分子结构呈平面状，所述插层剂为氯化铁、氯化 亚铁、硫酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化锂和氢氧化钠中的至少一种或两种以上。

进一步地，将所述膨胀石墨烯加热至温度为25℃～1000℃，再冷却降温40 ℃～500℃，冷却时间为1s～300s。

进一步地，步骤C)具体包括：首先将所述初步炭化物与所述褶皱石墨烯在 浓度为1mol/L～10mol/L的碱溶液中充分混合，然后在650℃～1000℃的温度下 进行二次炭化，时间为2h～4h，得到最终活化物。

进一步地，所述无定形炭材料为生物质材料、煤和石油制品中的至少一种； 初步炭化的温度为500℃～600℃。

本发明的另一目的还在于提供一种超级电容器，包括采用所述复合材料的 电极。

本发明实施例提供的石墨烯/活性炭复合材料，该复合材料不是简单地将导 电成分褶皱石墨烯与活性炭材料进行物理复合，而是在具有多苯环结构的导电 成分褶皱石墨烯与活性炭材料之间通过π-π键结合，使得活性炭材料均匀分布在 褶皱石墨烯的表面，从而达到了兼具高比表面积与高导电性的优点。另外，该 复合材料中的石墨烯材料具有褶皱结构，不但有效地避免了石墨烯层间的团聚， 还有利于负载其他纳米粒子。使用该材料作为超级电容器的电极材料，使得超 级电容器的电极同时具有较高的电极容量和良好的导电性能。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点 和优点将变得更加清楚，附图中：