[发明专利]一种活性炭/碳纳米管/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及复合新材料制备技术领域，具体涉及一种活性炭/碳纳米管/石墨烯复合材料及制备方法和应用。本发明通过利用活性炭、碳纳米管、石墨烯有效复合制备三维复合材料。充分利用石墨烯、碳纳米管大比表面积以及高电导率的优点，同时引入活性炭阻隔碳纳米管、石墨烯的团聚、堆叠。这样零维的颗粒活性炭、一维碳纳米管及二维石墨烯通过真空抽滤均匀复合，能够形成柔性、自支撑、三维多孔的复合材料。该复合材料作为锂离子电容器电极材料使用时，无需添加导电剂、粘结剂，且具有自支撑、柔性的特征无需集流体。有利于提高锂离子电容器的能量密度，拓宽其应用领域。

本发明涉及复合新材料制备技术领域，具体涉及一种活性炭/碳纳米管/石墨烯复合材料及制备方法和应用。

背景技术

超级电容器（Supercapacitor）又称电化学电容器（ElectrochemicalCapacitor），是一种绿色环保的储能装置，相对于二次电池它具有较高的功率密度，具有充放电时间短，循环使用寿命长；相对于传统电容器，它具有更高的电容量和能量密度，以及可以在更宽温度范围内正常使用等特点。

超级电容器根据储能机理分为双电层电容器、法拉第赝电容器和混合型超级电容器。双电层超级电容器的储能过程主要是静电吸附，电荷储存在界面的双电层中，故而，双电层电容器的电极材料选择大比表面积、高导电性的碳材料，如活性炭，碳纳米管以及石墨烯等。法拉第赝电容器则是利用在电极附近发生高度可逆的氧化还原反应来储存和释放能量，该类型的电容器电极材料往往选择能够发生高度可逆氧化还原反应的活性材料，如氧化钌、氧化锰，以及导电聚合物如聚苯胺，聚吡咯等。混合型超级电容器是指即能够一极进行静电吸附储能，另一极能够实现赝电容储能的一类超级电容器。

锂离子电容器是指用锂离子电解液来取代超级电容器水性电解液的一类电容器，一极是按照双电层储能，另一极是锂离子的氧化还原储能。电极材料既包括具有静电吸附活性的高比表面积的电容活性材料，又包括可与锂离子发生高度可逆的氧化还原反应或可逆脱嵌锂的电池电极材料。由于电解液由水性替换成了油性，一般为碳酸脂类作为溶剂，因此工作电压窗口可以从水性超级电容器的1.2V提升至3V以上，极大提升了电容器的能量及功率密度。

活性炭具有发达的孔隙结构及很大的比表面积，但是活性炭单独做电极材料使用时，其容量往往不能发挥出来。主要因为活性碳颗粒无规则排列，粒径分布范围较宽（1~20μm），孔结构分布不均匀。另外，活性炭的导电性较差，也是其容量发挥不出来的主要原因。碳纳米管用做超级电容器电极材料有他独特的优势，首先，碳纳米管的结晶度高，导电性优异，比表面积大等，理论上是一种理想的电极材料，但因为表面的范德华力而容易团聚，难以发挥出其大比表面积的优势。

石墨烯，一种二维空间SP2杂化的碳材料，具有优异的导电性，很大的比表面积和优良的力学性能，本身就是一种优良的双电层电容器的电极材料。但正因为石墨烯的大比表面，和石墨烯片层的范德华力作用，会导致石墨烯片层在制备过程中容易团聚，难以发挥其电容性能。因此，避免石墨烯团聚、堆叠是制备高能量密度和高功率密度电极材料的技术难题之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够有效阻止石墨烯、碳纳米管团聚、堆叠，获得一种全新的由活性炭、碳纳米管和石墨烯通过自组装复合方式获得的具有自支撑结构特性的三维复合材料。

本发明一种活性炭/碳纳米管/石墨烯复合材料，其所述复合材料是由碳纳米管与石墨烯协同作用，编织形成三维多孔网状结构，活性炭均匀镶嵌在该三维多孔网状结构中复合而成；其中，所述碳纳米管为一维碳纳米管，所述石墨烯为二维氧化还原石墨烯。