[发明专利]用于制备多孔石墨烯膜的方法、多孔石墨烯膜和电极

说明书

本发明涉及用于制备多孔石墨烯膜的方法、多孔石墨烯膜、电极和电容器。本发明既结合了冻干技术来构建多孔连续互连的氧化石墨烯网络，又结合了高压缩技术来增强氧化石墨烯机械结构的强度。本发明中，通过激光和微波照射还原多孔氧化石墨烯膜，从而实现有效的大面积还原，并实现高性能的超级电容器。

技术领域

本发明涉及用于制备多孔石墨烯膜的方法、多孔石墨烯膜和电极。本发明还涉及多孔石墨烯膜在能量存储装置，例如电容器，超级电容器，电池和燃料电池中的应用。

技术背景

超级电容器(也称为“双电层电容器”)是电化学电容器，其电容值远高于其他电容器。由于其高能量密度，快速充电/放电能力，超过一百万次充电循环的长寿命以及在-40℃至70℃的宽温度范围内工作的能力，超级电容器被广泛用于储能和能源供应。

典型的超级电容器包括两个被离子渗透膜(“隔膜层”)隔开的电极，以及分别连接到电极的一对集流器。

活性炭是常规超级电容器中使用最广泛的电极材料。虽然从理论上讲活性炭可提供大的比表面积，以容纳大量的离子，但是其中大部分的孔是非相连通的，离子不能有效的利用其表面积，因此导致了低的比电容和最大能量密度大概为5-7Wh kg^-1。因此，为了进一步提高超级电容器的比电容和能量密度，需要开发具有大的比表面积和高电导率的电极材料。

纯石墨烯材料具有2630m²/g的超大理论比表面积，并具有出色的电导率(1000S/m)。更重要的是，作为二维层状材料，材料内部的孔全部互连，因此离子可以完全附着在这种材料的表面。因此，石墨烯一直被认为是最有前途的高性能超级电容器的电极材料。在过去的十年中，石墨烯及其衍生物已被广泛开发为超级电容器电极材料来代替活性炭。已经有一些研究实现高性能石墨烯超级电容器。

超级电容器的应用必须大规模生产多孔石墨烯薄膜。因此，目前已经有几种方法用来大规模制造多孔石墨烯薄膜。其中所述氧化还原方法，能够大量低成本生产石墨烯多孔材料。然而，该方法已经显示出相对低的导电性和大量的材料缺陷，这些问题限制了制作超级电容器的性能。因此，现在所需要的是解决或改善与现有技术相关的一个或多个缺点或局限，或者至少提供一种可用的替代方案。

发明内容

本发明的第一方面中提供了一种方法，包括：首先结合冷冻和干燥工艺(冻干法)来制作多孔连续互连的氧化石墨烯(GO)网络结构，其中，GO是多孔GO，孔径及孔隙率可以通过控制氧化石墨烯的浓度进行调节。

在上一步的基础上使用高压工艺来增强氧化石墨烯的机械结构强度，降低冻干法制作的氧化石墨烯薄膜的厚度。这个步骤中氧化石墨烯结构的孔隙率及孔径可以通过施加的压力来控制的。

然后，使用光束来照射氧化石墨烯，以形成具有三维(3D)网络的预还原氧化石墨烯(PRGO)，所述预还原氧化石墨烯是多孔的。这个步骤中预还原氧化石墨烯的还原程度可以通过调控光功率及扫描速度控制。

在此基础上，进一步使用微波(MW)辐射来照射具有3D网络的预还原氧化石墨烯来实现氧化石墨烯的还原。这个步骤中还原氧化石墨烯(RGO)的还原程度可以通过微波辐射的强度及辐射时间控制。

根据本发明，还提供了一种电极，其包括具有3D网络的还原氧化石墨烯，其中3D网络的孔洞结构是相互连通的。

本发明还提供了一种用于制作3D多孔还原氧化石墨烯的装置，包括：

用于容纳氧化石墨烯(GO)溶液的容器；

用于形成3D多孔氧化石墨烯网络的冷冻干燥设备；

用于施加压力以压缩多孔氧化石墨烯网络的加压设备；

用于发出光束的照射设备，用于将氧化石墨烯网络预还原；和