[发明专利]一种基于高导电石墨烯/镍颗粒混合结构的可拉伸超级电容器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可拉伸电容器的制备方法，具体涉及一种高导电海绵状石墨烯/镍颗粒混合纳米结构的可拉伸超级电容器的制备方法，属于电容器技术领域。

背景技术

作为当今新型的电子设备，可拉伸电子装置在承受较大机械应力的情况下仍能够展现良好的电学性能，在人体植入装置、柔性便携设备、可穿戴设备、无线感应装置等方面具有广泛的用途。为实现其独立驱动能力，发展可拉伸性的储能装置(如超级电容器)尤为重要。然而，相关的研究进展较为缓慢，主要原因是优异电学和电化学性能的可拉伸电极材料的制备比较困难。

三维海绵状石墨烯具有二维石墨烯优异的电学性质，同时有更大的比表面积以及更加优良的柔韧性，一般程度的扭曲不会影响到材料的性质和特性，有利于制备储能大、稳定性好的柔性超级电容器。将柔性三维海绵状石墨烯转移到预拉伸的弹性衬底上，形成柔性的自组装结构，在拉伸-收缩过程中，其基本结构不会被破坏，使其具有超高拉伸性能，相较普通的石墨烯，其柔性更好，弹性更大，其电学及电化学性能在拉伸前后基本保持不变，这对制备可拉伸导电材料及其超级电容器具有十分重要的意义。

另一方面，外接导体与活性电极材料之间的电阻严重影响超级电容器的性能和实际应用。由于活性石墨烯电极材料与外接导体的接触电阻较大，单独的三维海绵状石墨烯作为柔性导电电极具有缺陷。本项目研究新型的三维石墨烯/镍颗粒混合结构的柔性电极材料，其本身既起到活性电极材料作用，又起到柔性集流体的作用，与外接导体的接触电阻较小。更重要的是，由于三维石墨烯的柔性和可折叠性，柔性的石墨烯/镍颗粒混合结构可以被改造成周期性皱褶的可拉伸电极材料，从而具有超高拉伸性能。这为其在高性能可拉伸超级电容器的应用打开一条新的路径，对推动可拉伸超级电容器的进一步发展和广泛应用具有重要的作用。

本课题着眼于柔性便携设备、可拉伸电子装置等方面的实际应用，通过制备新型的三维石墨烯/镍颗粒泡沫结构的柔性电极材料，来实现可拉伸超级电容器的制备和应用。本课题的研究不仅能够实现可拉伸超级电容器的制备，更能够为其他可拉伸器件的制备提供一种方法，为我国的新型可拉伸电子产品的研发做出贡献。

高性能的石墨烯基活性电极及其可拉伸超级电容器的制备研究还有两个亟需解决的问题：1.可拉伸石墨烯基活性材料的制备过程复杂，制备成本也较高。大部分制备方法都需要在较高温度、较高真空度等条件下多步处理，需要的制备时间较长，很多还需要利用复杂的湿法或干法转移过程；2.单独石墨烯和外接导线的接触电阻太大，影响超级电容器的性能。通常情况下，为了更好的将活性电极的电流导出，在制备超级电容器的过程中，还需要一层集流体(泡沫镍是一种常用的超级电容器的集流体)。然而，泡沫镍不能被拉伸，无法直接应用在可拉伸超级电容器中。若不使用集流体，由于石墨烯与导出电流的外接导体的接触电阻较大，影响可拉伸超级电容器的性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种基于高导电石墨烯/镍颗粒混合结构的可拉伸超级电容器的制备方法。

本发明采取的技术方案为：

一种基于高导电石墨烯/镍颗粒混合结构的可拉伸超级电容器的制备方法，包括步骤如下：

(一)化学气相沉积方法在泡沫镍上制备海绵状石墨烯材料

将泡沫镍放入真空反应炉加温区中，抽真空，同时加热，将氢气注入真空反应炉中，加热到预定温度100-500℃后恒温10-30分钟然后进行退火，再加热到预定温度900-1100℃后，将碳源通入真空反应炉，同时保持氢气流量不变，生长5-180分钟后关闭气体并降至室温即可得到直接沉积石墨烯的衬底，即石墨烯/镍；

(二)可拉伸石墨烯/镍颗粒混合结构的制备及其转移

将制备的石墨烯/泡沫镍浸泡在刻蚀溶液中，缓慢反应，使大部分泡沫镍被化学置换掉，使泡沫镍转变成一个个小的金属颗粒，然后将海绵状石墨烯/镍颗粒混合结构从刻蚀溶液中用印章式捞法捞出，分别在丙酮、酒精和去离子水中清洗，后将预拉伸弹性衬底黏在中空支架上，用同样的印章式捞法转移在预拉伸弹性衬底上，自然晾干，该衬底预拉伸为沿一个方向拉伸到原来长度的1.5到4倍，或者沿两个正交的方向拉伸到原来面积的2到10倍；然后让覆盖柔性石墨烯/镍颗粒混合结构的预拉伸弹性衬底慢慢恢复到原来的长度或面积，制备一种自组装皱褶的可拉伸石墨烯/镍颗粒混合结构；

(三)全固态可拉伸超级电容器的制备

利用制备的可拉伸石墨烯/镍颗粒混合结构作为电极材料，按照弹性体/电极/固体电解质/电极/弹性体的结构制备全固态可拉伸超级电容器。

上述制备方法中，