[发明专利]三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶及其制法和应用

说明书

本发明公开了一种三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶及其制法和应用。所述三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶的制备方法包括：使包含中空氧化石墨烯以及含硼、氮、磷元素的可溶性化合物的混合液于160‑200℃水热反应6‑12h，获得所述三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶。本发明制备的BNP‑HGH电极质量比电容与体积比电容更高，即使在负载量达到商业化水平的情况下，其质量能量密度与体积能量密度依然分别接近了锂离子电池电极和铅酸电池电极。

技术领域

本发明特别涉及一种三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶及其制法和应用，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

超级电容器(SC)由于其快速充放电能力及长的循环寿命被认为是最有前景的能源存储设备之一。然而由于相对较低的能量密度(与传统电池相比至少相差一个数量级)限制了其广泛应用。尽管最近一些研究工作声称已经将SC的能量密度增加到100-150Wh kg^-1(取决于活性物质在电极中的质量)，几乎与锂离子电池电极(120-170Whkg^-1)相当，但是其厚度及活性物质负载量分别只在5-15μm和0.5-1mg cm^-2，这远远低于商业化SC的需求(100-200μm，～10 mg cm^-2)。因此在不牺牲功率密度及循环寿命的情况下发展新的高能量密度及高载量的电极材料是非常必要的。一般使更厚或更高活性物质载量的电极维持能量密度需要有效离子及电子电流通过更长的电荷转移距离。因此一个高性能的超级电容器电极需要有极好的电导率，大的离子依附表面积以及有效离子传输通道。比如Rodney S.Ruoff及Kwang S.Suh团队制备的活化微波膨胀石墨烯氧化物(as-MEGO)提供了高的的表面积和有效离子扩散通道，在10.4mg cm^-2的载量下电极能量密度达到了55Wh kg^-1(ACS Nano 7(2013)6899-6905.)，这个电极包含了粘结剂，其增加了电极质量却不能增加能量。李丹团队制备了在整个膜内有连续离子传输网络的液态电解液调制化学修饰石墨烯膜，其被直接用作无粘结剂电极(80μm，～10mg cm^-2)，能量密度达到了88Whkg^-1(Science，2013，341(6145)：534-537)。

前述的现有的电极材料虽然能量密度增加到了几乎与锂离子电池电极相当的水平，但是其活性物质负载量等却很低，使得相应超级电容器的能量密度仍比较低远远低于商业化需求，极大地限制了其实际应用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶及其制法和应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶的制备方法，包括：使包含中空氧化石墨烯以及含硼、氮、磷元素的可溶性化合物的混合液于160-200℃水热反应6-12h，获得所述三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶。

本发明实施例还提供了由所述的制备方法获得的三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶。

本发明实施例还提供了一种电极，包括所述的三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶。

本发明实施例还提供了一种高能量密度超级电容器，包括所述的电极。

与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明制备的三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶(BNP-HGH)电极质量比电容与体积比电容更高，即使在负载量达到商业化水平的情况下，其质量能量密度与体积能量密度依然分别接近了锂离子电池电极和铅酸电池电极。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备三维三元掺杂中空氧化石墨烯水凝胶的原理图；