[发明专利]一种新型的石墨烯/碳管/石墨烯复合材料、以及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯/碳管/石墨烯复合材料领域，具体涉及一种低成本的石墨烯/碳管/石墨烯复合材料、制备方法及其在相变储能和电化学储能电池方面的应用。

背景技术

石墨烯作为单层的二维碳原子层，只具有一个碳原子的厚度为0.35nm。石墨烯晶面上方存在的π键贯穿整个原子晶面，这一点和稠环芳香烃结构一样，它决定了石墨烯具有优异的电学性能。石墨烯一个晶格分到三个σ键，碳碳键长为0.142nm，碳原子间牢固的连接形成了稳定的正六边形。稳固的连接方式使得石墨烯的结构非常稳定。石墨烯因其独特的二维单原子层结构而具有优异的电学性能。石墨烯热传输的主要途径是声子震动传导。石墨烯在室温下理论热导率达到5300W m^-1K^-1。传统的石墨烯是二维结构，但是二维结构的石墨材料的应用相对局限。近来，三维石墨烯引起广泛的研究。三维石墨烯材料在保持传统二维石墨烯材料高导电、高导热率特性的同时，又具有宏观尺寸的大小，强度，较小的密度等优势。三维石墨烯材料对加工与应用的限制也比传统的二维结构的石墨烯小，应用范围远大于二维石墨烯材料。

在电子工业迅速发展的今天，热管理成为亟待解决的问题。在热量的存储和管理的过程中，常常会存在供与求之间在时间和空间上的匹配矛盾。例如：用电负荷的高峰期和低谷期间的不匹配；大功率器件周期性运转产生的散热问题及其工业余热如何利用的矛盾等等。相变储能材料可以实现能量的存储和释放。从而实现能量的优化利用。但是一般的相变储能材料的热导率较低，在吸收或者释放热量时会造成局部温度不平衡，这成为阻碍相变材料应用的最大瓶颈。将石墨烯作为填料来增加相变材料的导热性能。石墨烯/碳管/石墨烯复合材料一方面可以作为热量传输的快速通道。界面接触热阻会极大地降低材料的传热性能，因此增加两复合材料间界面材料的润湿性能是提升两种材料间接触性能、去除界面热阻和增加复合材料的热传输能力的有效途径。另一方面，石墨烯/碳管具有空心多孔结构，可以填充相变材料，对相变储能材料具有很好的毛细管吸附力。经过辊压后得到的石墨烯/碳管/石墨烯复合材料，具有较高的热导率和较大的比表面积，可以增加相变复合材料的导热性能和定型效果。

超级电容器和锂离子电池等电化学储能电池普遍存在的问题是高能量密度和高功率密度无法兼得，特别是在大功率充放电情况下，其能量密度偏低，无法满足电动汽车对高能量密度电池的需求。利用石墨烯/碳管/石墨烯复合材料的高导电率、可剪裁性和柔性结构特征，通过独特的复合设计，有望显著提高电极材料的电化学循环稳定性，并且具有较高的能量密度、功率密度，并可实现柔性制造等，进而改善电力及混合动力交通工具的效率和性能，并拓展到为柔性可移动电子设备提供电源。

中空管状碳材料具有由碳原子组成的一维结构，把空间分割成管内、管壁、管外三个部分，通过调控这三部份的碳原子排列造就独特的物理/化学特性。常见的碳纳米管的结构可以看成由六方晶格的石墨烯矩形卷曲而成，可以是单壁或多壁碳管，单壁碳管的最小内径0.68nm。这些纳米碳管内部容积太小，不能容纳其它较多的活性物质，因而限制了其在新能源领域的应用范围。需要设计和合成出由碳原子组成的大孔径碳管，保留纳米碳管的部分特点，例如良好的导电、导热、力学等特性；同时该材料制备必须具备工艺简单、重复性好、易规模化、制造成本低廉。

发明内容

本发明旨在克服现有碳管、石墨烯材料在性能、结构方面的不足，本发明提供了一种新型的从生物质中合成低成本的石墨烯/碳管/石墨烯复合材料、制备方法及其在相变储能、电化学储能电池方面的应用。

本发明提供了一种新型的石墨烯/碳管/石墨烯复合材料，所述石墨烯/碳管/石墨烯复合材料包括碳管、以及沉积在所述碳管的内外表面上的石墨烯，石墨烯与碳管之间的结合为化学键连接，所述碳管的内径为50nm-100μm，外径为55nm-200μm，石墨烯的层数为1-20层。

较佳地，所述石墨烯/碳管/石墨烯复合材料的比表面积为10-2000m²/g，优选为50-500m²/g，电导率为0.001-500S/cm，优选为0.1-100S/cm，热导率为10-500W/mK，优选为50-200W/mK。

又，本发明还提供了一种上述石墨烯/碳管/石墨烯复合材料的制备方法，包括：

1)将洗净的天然生物质进行高温碳化形成中空管状且管壁具有微孔的碳管，其中，天然生物质材料，主要组成包括木质素、纤维素和/或半纤维素。优选为棉花、杨絮、柳絮等天然纤维状生物质材料；