[发明专利]含碳复合材料和电极

说明书

本发明提供了一种用于制备碳复合材料的方法，该方法包括以下步骤：在200至650℃范围内如约300℃的温度下，加热氧化石墨烯和活性材料的混合物，该活性材料如碳活性材料如活性碳。还提供了由这种方法获得或可获得的碳复合材料。该碳组合物可设置在背板如导电背板上。碳复合材料可以是电容器如超级电容器的组件如电极，并且还提供了用于给包含所述碳复合材料的超级电容器进行充放电的方法。

相关申请

本案要求2015年7月31日提交的GB 1513603.9的优先权和权益，其内容在此通过引用以其整体并入。

技术领域

本发明提供用于在超级电容器中使用的含碳电极、用于制备该电极的方法以及包含此种电极的超级电容器。还提供了用于对包含含碳电极的超级电容器充电和放电的方法。本发明的进一步方面提供一种用于在含碳电极中使用的含碳复合材料。

背景技术

超级电容器在要求高功率密度和长循环寿命的电气应用中是非常需要的。因此，超级电容器可以补充或甚至取代这些应用中的传统电池。

超级电容器，也称为电双层(EDL)或超电容器，是通过将离子物质可逆吸附到电极表面上来储存能量的电化学装置。与传统电容器相比，超级电容器的能量密度提高了几个数量级(因此使用前缀“超级”或“超”)。超级电容器的功率密度也比大多数电池高，但其能量密度稍低。此外，由于其高度可逆的电荷存储过程，超级电容器具有更长的循环寿命。通过适当的电池设计，超级电容器的能量密度和功率密度范围可以覆盖多个数量级并且这使得它们可非常灵活地作为独立的能源供应或者与电池组合作为混合动力系统。迄今，目前正在对超级电容器的开发进行着大量的研究，其总体目标是提高能量密度，同时在功率密度和循环寿命方面牺牲最少。

超级电容器具有浸没在电解质中的两个相对电极，在电极之间放置了离子渗透性隔板。超级电容器的电极通常是通过例如在溶剂中将活性材料与粘合剂以及任选的其它添加剂(如导电添加剂)混合在一起来制备的。将混合物涂布在集电器上，然后干燥。所得到的电极具有跨越集电器表面的一层材料。

传统上用于超级电容器的电极是以活性碳为基础的。这种碳在材料成本和电气性能之间提供了良好的平衡。然而，还有相当的范围来改善活性碳基电极的性能。例如，希望改善电极的比电容以及电极的导电性。

因此，近来超级电容器领域的工作已经着眼于开发碳电极材料，以降低内电阻并提高电容保持性能。

例如，Yan et al.描述了作为石墨烯-MnO2复合材料的碳电极的制备(Yan etal.Carbon 2010,48,3825)。此处，通过在微波照射下石墨烯和高锰酸钾之间的氧化还原反应来制备复合材料。将如此制备的材料与导电添加剂炭黑和粘合剂聚(四氟乙烯)(PTFE)混合并且分散在乙醇中。然后将所得的混合物涂布到泡沫镍基材上。据说，该复合材料在2mV/s具有310F/g的总比电容。

在类似的方法中，Wang et al.描述了作为石墨烯-Mn3O4复合材料的碳电极的制备(Wang et al.Electrochimica Acta 2010,55,6812)。在该项工作中，制备含有MnO2的有机溶胶并且将其与石墨烯悬浮液混合。使MnO2纳米颗粒与石墨烯纳米片沉淀。加热处理该混合物将MnO2转化为Mn3O4。通过在N-甲基吡咯烷酮(NMP)的存在下，将Mn3O4/石墨烯粉末与聚偏二氟乙烯(PVdF)粘合剂混合制备电极。将所得到的浆料粘贴在铂箔上。据说该复合材料在5mV/s具有175F/g的总比电容。