[发明专利]一种大面积连续柔性自支撑电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电极技术领域，提供了一种大面积连续柔性自支撑电极的制备方法，包括以下步骤：将还原氧化石墨烯、多孔炭颗粒与溶剂混合后进行分散，得到混合浆料；将得到的混合浆料涂覆到疏水基底上，然后干燥，得到大面积连续柔性自支撑电极。本发明提供的制备方法通过限定还原氧化石墨烯的片层层数和片层直径、多孔炭颗粒的粒径，实现仅添加少量的还原氧化石墨烯就能够包裹大量的多孔炭颗粒，从而保证获得大面积连续的柔性自支撑电极，还能够保持活性多孔炭原有的高度发达的孔隙结构不被堵塞，此外，石墨烯片层和活性多孔炭颗粒搭建的三维导电网络结构疏松，与电解液的接触面积增加，实现了高比容量和优异倍率性能的技术效果。

技术领域

本发明涉及电极技术领域，尤其涉及一种大面积连续柔性自支撑电极及其制备方法和应用。

背景技术

由于具有高功率、长循环寿命等优势，超级电容器在电动汽车、航空航天、不间断电源、日用电子消费品等领域的广阔应用前景引起人们的关注。多孔炭材料比表面积高、孔径可控、价格低廉，是商品化超级电容器最常用的电极材料。传统的电极制备方法是将活性材料与导电剂、聚合物粘结剂通过共混调浆、涂覆或辊压于集流体泡沫镍或铝箔制备而成。但是，采用聚合物粘合剂很难制备出具有高能量密度和高功率的柔性电极，这是由于：(1)PTFE、PVDF等聚合物粘结剂都是绝缘体，其加入会使电极电阻增大，不利于提高超级电容器的功率性能；(2)粘结剂通常要占5～20％的电极质量，但对电极的容量却没有贡献，而且还有可能会堵塞炭材料的部分孔隙，降低了电极的能量密度；(3)含氟粘结剂在焚烧处理中会产生高毒性氟化物，对环境造成严重污染。

石墨烯是一种具有二维纳米平面结构的新型炭材料，具有良好的机械性能、高的导电率和高的比表面积，可直接用作超级电容器、锂离子电池等的电极材料。使用石墨烯制备柔性电极材料已经有了很多报道，专利《一种制备MnO₂纳米微球/石墨烯/活性炭柔性薄膜电极的方法》(申请号201810342956.8)中将活性炭颗粒穿插在石墨烯片层之间增大其层间距，石墨烯充当粘结剂和导电剂，通过将分散液真空抽滤制备出柔性、自支撑石墨烯/活性炭薄膜，氧化石墨烯和活性炭粉末质量比为10:1～1:5，其思想是把活性物质作空间阻隔物，更多地发挥石墨烯的比表面积；专利《一种以石墨烯为粘结剂的超级电容器柔性自支撑全炭电极及其制备方法》(申请号201711299616.3)中将活性多孔炭与氧化石墨烯液相分散，然后将混和溶液进行真空抽滤成膜，活性多孔炭为活性材料，石墨烯同时作为粘结剂、导电剂和辅助活性材料；以石墨烯为导电粘结剂制备出的电极具有更好的比容量和倍率性能。但是在目前的研究中，以石墨烯作导电粘结剂制备柔性电极多采用真空抽滤法，这种成膜方法受限于真空抽滤杯的底面直径，目前常用的抽滤设备一次只能得到一片直径为4cm的圆形膜电极，因此一次性制备连续电极的面积有限，很难实现批量化规模生产大面积连续柔性电极，同时，在膜制备过程中强大的真空压力迫使水分挤出，石墨烯片层和活性物质之间结构致密，使得比表面积有所降低，降低了电极的比容量和倍率性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大面积连续柔性自支撑电极及其制备方法和应用，本发明提供的大面积连续柔性自支撑电极的制备方法克服了传统电极制备工艺中使用聚合物粘结剂的缺点，能够大规模批量化生产大面积连续的柔性电极，并且具有优异的比容量和倍率性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种大面积连续柔性自支撑电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将还原氧化石墨烯、多孔炭颗粒与溶剂混合后进行分散，得到混合浆料；所述还原氧化石墨烯的片层层数为2～6层，片层直径为1～20μm；所述多孔炭颗粒的粒径为1～5μm；所述还原氧化石墨烯与多孔炭颗粒的质量比为(0.05～0.5):1；所述混合浆料的质量体积浓度为5～20mg/mL；

(2)将所述步骤(1)得到的混合浆料涂覆到疏水基底上，然后干燥，得到大面积连续柔性自支撑电极。

优选地，所述步骤(1)中的多孔炭颗粒的粒径为1～5μm。