[发明专利]一种高耐压的掺杂三维多孔石墨烯/活性炭电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高耐压的掺杂三维多孔石墨烯/活性炭电极材料及其制备方法。本发明高耐压的电极材料由石墨烯、活性炭和杂原子组成，石墨烯为多孔的片层结构，石墨烯片层相互连接三维网状结构，其中活性炭分布于石墨烯形成的蜂窝之间，杂原子均匀分布在石墨烯与活性炭上，电极材料呈现三维多孔空间结构、电导率高、电化学结构稳定、缺陷低、碳含量高、氧含量低以及杂原子的掺杂可调控等特点，做成的电极组装的超级电容器单体的电压提高至3.5V，质量比容量提高至140F/g，而且三维多孔的结构特点显著减少了超电容充放电过程中载离子的扩散阻力，提高电子和离子的扩散速率，提高功率密度，实现更加快速地充放电，具有较大的应用前景。

技术领域

本发明属于电化学储能材料领域，具体涉及一种高耐压的掺杂三维多孔石墨烯/活性炭电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器是一种高效的电化学储能技术，具有高功率、长寿命、宽温区和环境友好等特性，在新能源交通运输、智能电网和电子信息产业有着广泛的应用和极大的成长空间。高性能、新型电极材料的开发是目前超级电容器技术研究的主流方向，这是由于电极材料的电荷存储能力、耐电压行等直接决定了超级电容器的储存容量和功率特性等。目前商用的双电层超级电容器(EDLC)主要基于活性碳材料，其具有高的比表面、中等电导率，然而，其在电解液中往往浸润性较差、有效活性面积不高、活性位点缺乏等，使得目前商用高耐压高耐压电容碳极度缺乏。因此，受限于目前商用EDLC活性碳的较低的电容值以及高电压稳定性差的缺点，EDLC的产品的能量密度较低(小于10Wh/kg)，限制了其应用领域的进一步发展。

文献[B.Li,Energy Environ.Sci.,2016,9,102]报导了利用高温氨气作为N掺杂源制备氮掺杂活性炭，该技术通过先干燥，然后与KOH混合再高温氮气下煅烧获得碳前体，最后通入氨气作为氮的掺杂源对活性炭进行氮的掺杂。由于其活性炭多孔的结构及其氮掺杂对表面的改性，活性炭电导率增加，润湿性增强，容量提高，然而其氧含量也较高，用在超级电容器中寿命不高，不具有实用价值。

文献[J.Xu,,Adv.Mater.,2016，28，5222]报导了多级孔道结构的碳材料，该技术通过把氧化石墨烯和氢氧化钾等注入海绵中，在高温上反应，最后酸除去反应，制备出石墨烯堆叠成的多级孔道结构的碳，鉴于多级的孔道结构、石墨烯衍生的薄层碳，表面亲水性，在离子液体混合溶剂中利于增加离子的活性面积，起到增加容量的效果。但是在商用有机电解液中，电容量增加很少，且其产率不高，不具有实用价值。

文献[M.Sevilla,ACS Nano,2014,8,5069]报导了多孔相互连接碳纳米片的碳材料材料，该文通过高温煅烧柠檬酸钠，然后盐酸处理、水清洗的方法获得多孔碳材料。由于多孔的结构导致该碳材料具有较高的比表面，其具有较高比例的高质量碳含量高但是其氧含量较高、质量比容量不高、材料压实密度较低，不具备实际应用价值。

综上所述，一种基于混合蒸汽工艺开发高耐压用掺杂石墨烯/活性碳电极材料的制备方法仍是本领域技术人员的研究重点。所发明的石墨烯/活性碳电极材料，不仅具有高电导率、电化学结构稳定、低缺陷、高质量碳含量高、低氧含量以及杂原子的掺杂可调控等特点，获得提高的稳定性和比容量，具有较大的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种高耐压的掺杂三维多孔石墨烯/活性炭电极材料；本发明的目的之二在于提供一种高耐压的掺杂三维多孔石墨烯/活性炭电极材料的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种高耐压的掺杂三维多孔石墨烯/活性炭电极材料，所述材料包括石墨烯、活性炭与杂原子，所述石墨烯为多孔的片层结构，石墨烯片层相互交错形成三维网状结构，所述活性炭分布于所述三维网状结构之间，所述杂原子均匀分布在石墨烯与活性炭上。

优选的，按质量百分比计，所述电极材料的组成为：石墨烯为5～95％，活性炭为5～95％和杂原子为0～10％。