[发明专利]一种碳基柔性电极的制备方法

说明书

本发明涉及一种碳基柔性电极的制备方法，将柔性碳基材料作为工作电极，在电解液中先施加正电压进行电化学剥离，然后再施加负电压进行电化学再沉积，清洗，即得。本发明的制备过程在同一水溶液体系中进行，不涉及有毒有害的化学药品的使用；制备工艺简单，安全可靠，时间短，成本低，适合规模化绿色制备；初始的碳材料既为石墨烯制备提供来源，又可作为电极的柔性基材，所制备的碳基电极保留了初始碳材料优异的力学性能，还可以提供更高的比表面积和电导率，其电极表层的三维结构容易通过调整剥离‑再沉积时间与电场强度来调控；同时集电极材料和电荷集流体于一体，使基于碳基电极材料的柔性全固态储能器件的制作更为简单，具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于柔性电极的制备领域，特别涉及一种碳基柔性电极的制备方法。

背景技术

随着电子产品向着智能化、微型化和便携化的方向发展，亟需发展与之匹配的高效柔性储能器件。超级电容器由于功率密度高、循环寿命长、安全无污染、易于实现其柔性化等特点,近年来引起人们的广泛关注。石墨烯材料具有极高的比表面积、优异的电化学性能和良好的机械稳定性，被广泛作为柔性全固态超级电容器的电极材料。而传统的平面状超级电容器通常需要金属作为电荷集流体，电极是将活性物质与粘结剂、导电添加剂混合后涂覆于集流体上制得。虽然粉末状的活性材料通过简单的热压、涂覆、粘贴等方式负载到碳基材料上，但非导电的粘结剂的使用、活性材料的团聚、较为密实的结构以及电极在折叠或者弯曲的情况下容易产生脱落或粉化都会造成最终产物的电化学性能表现不佳，不能满足柔性电子器件的需求。

柔性碳电极材料如碳布等，由于其价格相对低廉、导电性能好且化学稳定性高而倍受关注。碳材料的存储机制是双电层电容，靠电极和电解液的界面处的离子吸附和电荷存储实现能量储存。但未被活化的商业碳布或者商业碳毡因为表面化学惰性，孔道无法传输电解液离子，往往具有很小的面积比电容(商品化的碳布仅为1～2毫法拉第/平方厘米)，不能满足实际应用的要求。因此，如何设计合成具有高的活性比表面积，贯通的多级孔结构，有效地调控碳材料表面的官能团和优异性能的碳基电极材料是研究的重点。如中国专利[CN 105869923 A]、[CN 104201006 B]通过高温锻炼、等离子体化学沉积等方式对碳布进行表面处理，但处理过程需要惰性气体保护且对设备要求高；大量氧原子的引入虽然对碳材料的储能能力有所提升，但碳材料明显降低的电导率限制了其最终的电化学性能。而采用酸处理等刻蚀方式将碳材料孔洞化，虽然比表面积增大了，但碳材料原本优异的力学性能变差了。更为常见的是通过沉积、涂覆等方式将具有较高电化学活性的石墨烯、碳纳米管、活性碳黑等复合到二维的柔性碳基材料上，构成三维结构来增大比表面积，二维的柔性碳基材料主要起着支撑和导电基材的作用。如中国专利[CN 1000358803 C]通过气相沉积法将碳纳米管沉积到碳布表面，得到碳纳米管包覆的碳布电极，此法必须在高温和惰性气体环境下制备，条件苛刻且对设备要求高；中国专利[CN 107628675 A]通过涂覆法将氧化石墨烯粉末包覆到碳布表面，再通过水合肼还原到了导电多孔的碳布电极，而强还原剂水合肼的使用将会带来新的环境危害；中国专利[CN 104947134 B]将石墨烯粉末通过电化学沉积法沉积到碳布表面，得到了多孔石墨烯修饰的碳布电极，由于石墨烯粉末需要单独制备，无可避免的团聚现象降低了石墨烯的有效电化学利用面积。