[发明专利]一种基于石墨烯复合膜的柔性可拉伸超级电容器及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及柔性储能器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯复合膜的柔性可拉伸超级电容器及其制备。

背景技术

随着微型电子产品向便携化、集成化和智能化的方向发展，亟需发展高效柔性甚至可拉伸的能量储存器件，如超级电容器、锂离子电池等。超级电容器因其具有高功率密度、高循环寿命、快速充放电、安全无污染等特点，并且能够方便地制备柔性或可拉伸基底并在此基础上获得柔性或可拉伸超级电容器，引起人们的广泛关注。但是，目前可拉伸超级电容器的可拉伸性能往往较低(通常小于100％)，而石墨烯基超级电容器的可拉伸性更低，通常在20～40％之间；另外，器件的容量也不甚理想，瓶颈主要来自于可拉伸电极材料的局限。

以石墨烯为代表的二维层状碳纳米材料，由于具有极大的比表面积、优异的电化学性能和良好的机械稳定性，被广泛用作超级电容器的电极材料。其中，电荷或离子在层间能够更快速有效的传输，缩短了电荷或离子的迁移路径，因此基于石墨烯的超级电容器往往能够获得较高的性能。另外，通过化学气相沉积法合成的石墨烯结构稳定、缺陷少、电导率高、电荷传输速率快，能够有效提高超级电容器的性能。然而，仅基于石墨烯的超级电容器的性能并不理想，通常需要引入其它具有较高赝电容效应的材料，如导电高分子、金属氧化物、金属硫化物等，获得较高性能的超级电容器器件。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种拉伸度高、比容量大的基于石墨烯复合膜的柔性可拉伸超级电容器及其制备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于石墨烯复合膜的柔性可拉伸超级电容器，所述的电容器包括两侧的电极板以及位于两块电极板中间的电解质层，所述的电极板包括聚二甲基硅氧烷基底板以及覆盖在聚二甲基硅氧烷基底板一侧的石墨烯/二硫化钼复合膜，所述电解质层为聚乙烯醇/磷酸水凝胶体系。

所述的石墨烯/二硫化钼复合膜中二硫化钼的质量百分比为0～80％。

所述的电解质层的厚度为5～10μm，所述聚乙烯醇/磷酸水凝胶体系中聚乙烯醇和磷酸的质量相同。

一种如上所述基于石墨烯复合膜的柔性可拉伸超级电容器的制备，包括以下几个步骤：

(1)通过化学气相沉积法在泡沫镍基底表面生长石墨烯，然后将泡沫镍基底刻蚀掉，得到石墨烯泡沫；

(2)在步骤(1)所得石墨烯泡沫表面通过水热法合成二硫化钼，得到石墨烯/二硫化钼复合材料；

(3)将石墨烯/二硫化钼复合材料转移并按压到聚二甲基硅氧烷基底板一侧表面，得到电极板，并在电极板上带有石墨烯/二硫化钼复合膜的一侧涂覆聚乙烯醇/磷酸水凝胶，得到涂覆聚乙烯醇/磷酸水凝胶的电极板；

(4)将两块涂覆聚乙烯醇/磷酸水凝胶的电极板压接，得到所述基于石墨烯复合膜的柔性可拉伸超级电容器。

本发明通过简单的化学气相沉积法合成的石墨烯结构稳定、连续性好，同时避免了传统溶液法制备石墨烯时所带来的严重聚集现象，最大限度地保持石墨烯的比表面积；缺陷少、电导率高，既用作电极，也充当集流体，从而提高电容器的性能；并采用水热法，即在特制的密闭反应器高压釜中，以水作为反应体系，通过加热创造一个相对高温高压的反应环境，使得合成出的二硫化钼形貌可控，分散均匀，且过程污染小，绿色环保。

所述的化学气相沉积法以甲烷为碳源，以氩气和氢气的混合气体为载气；其中，氩气和氢气的体积比为10：(2～3)，氩气和甲烷的体积比为40：(1～3)，反应温度为900～1000℃，所得石墨烯泡沫的厚度为1～1.6mm。

刻蚀所述的泡沫镍基底的物质为氯化铁和盐酸的混合溶液，其中，氯化铁和盐酸混合溶液中氯化铁和HCl的摩尔浓度比为1：(1～3)。

所述水热法包括以下步骤：将钼酸钠和硫脲以摩尔比1：(2～4)混合并溶解于去离子水中，调节pH值小于1，得到前驱体溶液，然后将石墨烯泡沫放入所述前驱体溶液中，在180～220℃条件下反应20～25h，产物经去离子水和无水乙醇交替洗涤3～6次，干燥，即得石墨烯/二硫化钼复合材料。

所述前驱体溶液的浓度为0.002～0.065mol/L。

所述聚二甲基硅氧烷基底板通过以下步骤制得：将聚二甲基硅氧烷的基本组分与固化剂按质量比(9～11)：1进行混合，搅拌3～10min，低压抽真空10～30min，倒入模具中，在70～80℃下固化40～60min，即得聚二甲基硅氧烷基底板，所述固化剂为道康宁DC184。