[发明专利]以表面修饰石墨烯修饰碳电极的制备方法

说明书

以表面修饰石墨烯修饰碳电极的制备方法，属于电池和电容器技术领域，本发明提供一种以经过表面修饰的石墨烯为导电添加剂的碳电极的制备方法。原料包括，功能化石墨烯、石墨、导电炭黑、造孔剂、粘结剂和分散剂。具体制备方法为在混合了分散剂和氧化剂的醇溶液中分散入工业化石墨烯，超声分散后，转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中。在70～150℃下溶剂热反应8～24小时，获得功能化石墨烯。再将功能化石墨烯与石墨、导电炭黑、乙基纤维素、ZrO₂分散入分散剂中，在一定转速下球磨一定时间后，旋蒸获得粘度为1~2Pa˙s的碳浆料，再通过丝网印刷等工艺获得碳电极。本发明所制备以表面修饰石墨烯修饰碳电极具有良好的导电性和界面电子传输特性。所制备的以表面修饰石墨烯修饰碳电极可用作太阳能电池和电容器中阴极。

技术领域

本发明属于电池和电容器技术领域，涉及一种以经过表面修饰的石墨烯为导电添加剂的碳电极的制备方法，尤其涉及用作太阳能电池和电容器中阴极。

背景技术

由于价格低廉、便于产业化生产和良好的导电性等优点，碳电极被用作染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、锂电池和超级电容器的对电极。但仅以石墨和炭黑为主要原料的碳电极存在一些难以克服的问题。比如，由于其电荷存储动力来源于双电层电容，由此带来比容量较低，能量密度难于大幅度提高。且因其比表面较小、功率密度较低等问题，需要进行改性处理。研究人员通常以添加活性炭、碳纳米纤维、导电聚合物（如聚苯乙烯、有机气凝胶等）、过渡族金属等方法来提高。但都存在功率密度、循环寿命和稳定性方面等改良仍不能尽如人意。近年来人们开始引入石墨烯修饰碳电极，以提高其性能和稳定性。

早在1859年，研究人员就尝试了通过对石墨剥离制备石墨烯的方法。在2004年以胶带剥离石墨获得石墨烯的方法获得了诺贝尔奖。石墨烯（Graphene，GE）是具有理想二维晶态结构的单元子层石墨晶体薄膜，是构成石墨、富勒烯等碳的同位异素体的基本单元。GE具有良好的传热性能、电子传输特性、电导率和力学性能，且比表面积高，是良好的载体。因而被广泛应用于生物医药、电池、超级电容器等领域。同时以石墨烯为载体，可在传感、光催化等诸多领域展现良好的性能，因此成为当前研究的热点。

2009年天津大学杨全红等人申请的依石墨烯为导电添加剂的电极及在锂离子电池中的应用发明专利（申请号：CN 101794874A）中，在锂离子电池的正极或者负极中加入石墨烯为导电添加剂，组装了锂离子电池。检测显示对于以含重量百分比为10%的石墨烯的磷酸锂电极的充放电性能接近或者优于含20%导电炭黑的磷酸锂电极的充放电性能。这说明石墨烯的添加可以有效提高电池电极的导电性能，使电池的大功率放点性能得到显著提高。同时电池的充放电效率和循环寿命也明显提高。

2011年，江苏仁恩电池股份有限公司的丁建民申请的一种磷酸铁锂电池用的石墨烯复合导电剂及其制备方法（授权公告号：CN 102244264B）的国家发明专利。发明公开了一种磷酸铁锂电池用的石墨烯复合导电剂的制备方法。其导电剂由石墨烯、活性炭和粘结剂组成，组成成分的重量比为：石墨烯：活性炭：粘结剂=1：（0.001~0.1）：（0.01~0.1）。制备方法是分别将一定量的石墨烯和活性炭与一定分子量范围的聚丙烯氰通过超声分散于一定量蒸馏水中。再将两种溶液超声条件下混合均匀获得导电剂。所制备导电剂掺杂到磷酸铁锂电池中，提高电池的吸液保液能力，电化学性能得到显著提高，其制备的石墨烯复合导电剂掺杂到50AH磷酸铁锂电池正极材料中，较未掺杂复合导电剂的磷酸铁锂电池正极材料，电池的循环寿命提高15%，电极的交流内阻降低20%。

2012年中南大学郭华军等人申请了一种石墨烯包覆硅碳复合电极材料的制备方法（申请公布号：CN 103050666 A）的国家发明专利。专利公开了石墨烯包覆硅碳复合负极材料的制备方法。提高了硅基负极材料的电子导电性的同时，缓冲硅基负极材料在嵌锂过程中产生的体积效应，提高材料循环过程中的结构稳定性。Ω