一种基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器制作方法技术

本发明专利技术涉及一种基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器制作方法，将配置好的氧化石墨烯和碳纳米管的混合液注入到挤料装置中，通过三维成型得到三维微电极，经过冷冻干燥并退火还原，得到微型超级电容器产品，制作时碳纳米管、氧化石墨烯和去离子水按质量比3:1:15混合均匀。本发明专利技术制作工艺简便且制作精度高，适合大规模生产，所得产品具有较高的机械稳定性、质量轻、比容量高和循环性能优异等优点，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器制作方法
本专利技术涉及纳米材料与增材制造工艺的交叉
，具体涉及一种基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器制作方法。
技术介绍
超级电容器，是20世纪七八十年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，具有法拉级的超大容量，比同体积的电解电容器容量大2000-6000倍，功率密度比电池高10-100倍，同时具有长循环寿命，被认为是一种高效、实用的新型清洁能源，目前作为备用电源，广泛应用于照相机、录像机、移动电话、计算机和其它电子产品中。作为一种小尺寸的超级电容器，微型超级电容器不仅拥有超级电容器功率密度高、循环稳定性好的优点，还避免了常规超级电容器需要隔膜以隔离两电极接触的弊端。微型超级电容器可通过有效设计以缩短电解质离子的输运时间，从而可提高充放电速度。目前的研究结果表明，微型超级电容器可实现比电池高10倍的功率密度和常规电容器10-100倍的能量密度，在微纳器件和系统中正发挥着日益重要的作用。根据储能机理的不同，超级电容器一般可分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器。双电层电容的产生主要基于电极/电解液界面上电荷分离所产生的双电层电容，如碳电极电容器；赝电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积，或在贵金属氧化物电极表面发生氧化还原反应而产生的吸附电容。目前超级电容器的研究始终以提升其储能容量，尤其是能量密度为主，并且在保证其容量的前提下有效减轻其质量，是目前需要解决的重要问题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器制作方法，将配置好的氧化石墨烯和碳纳米管的混合液注入到挤料装置中，通过三维成型得到三维电极，经过冷冻干燥并退火还原制得，得到微型超级电容器产品，具有质量轻、比容量高和循环性能优异等优点。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器制作方法，将配置好的氧化石墨烯和碳纳米管的混合液注入到挤料装置中，通过三维成型得到三维微电极，经过冷冻干燥并退火还原，得到微型超级电容器产品。根据以上方案，包括如下具体步骤：1)用异丙醇、丙酮、乙醇和去离子水分别清洗耐高温玻璃基板；2)将碳纳米管、氧化石墨烯和去离子水按质量比3:1:15混合，在室温下搅拌1-24h，得到搅拌均匀的石墨烯/碳纳米管混合溶液；3)利用氧气等离子体在150-200W功率下处理耐高温玻璃基板，处理时间为10-20min；4)将步骤2)的石墨烯/碳纳米管混合溶液注入到挤料装置中，挤出到经步骤3)处理后的耐高温玻璃基板上，通过三维成型得到三维微电极；5)待三维微电极中石墨烯/碳纳米管混合溶液的水分挥发后，进行冷冻干燥处理，得到气凝胶叉指型微电极；6)对步骤5)所得的气凝胶叉指型微电极进行退火还原处理，制得还原氧化石墨烯/碳纳米管气凝胶微型超级电容器。根据以上方案，所述耐高温玻璃基板为规格为1.5cm×1.5cm。根据以上方案，所述清洗耐高温玻璃基板的具体步骤为：异丙醇超声清洗1次，时间为15min；乙醇超声清洗2次，每次1min；丙酮超声清洗2次，每次1min；去离子水超声清洗2次，每次1min；氧气等离子体处理1次，时间为5min。根据以上方案，所述冷冻干燥处理在冷冻干燥机中进行，利用液氮将样品迅速冷却并干燥处理3-4d。根据以上方案，所述退火还原处理为在管式炉中于400οC下烘烤2h。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术提供了一种基于石墨烯/碳纳米管气凝胶三维微电极的制作方法，与微型超级电容器的常用制作工艺相比具有极大优势，利用三维成型工艺成型微电极，并且将氧化石墨烯和碳纳米管复合而制成的气凝胶这一高孔隙率的材料作为微电极，提高微型超级电容器储能容量的同时还可有效减轻其质量；2)本专利技术的石墨烯/碳纳米管气凝胶具有很高的孔隙率，比表面积较大，从而可在一定程度上提升电容器的储能容量，经测试，该微型超级电容器在10mVs-1的扫速下，容量为16.25mFcm-2，进行5000圈的循环之后，容量保持率为89.46％，有优异的储能性能；3)本专利技术的微型超级电容器可用于需要快速充放电的电子设备中，本专利技术所提出的制作工艺精度高，所制得的这一基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器与目前已开发的微型超级电容器相比，具有较大的比容量和较高的机械稳定性，适于大规模生产。附图说明图1是本专利技术的主要工艺流程示意图；图2是本专利技术实施例1产品的扫描电镜图像；图3是本专利技术实施例1产品的电化学性能图谱；图4是本专利技术实施例1产品的拉曼光谱测试结果图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术的技术方案进行说明。实施例1，见图1至图4：本专利技术提供一种基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器制作方法，包括如下具体步骤(见图1)：1)用异丙醇、丙酮、乙醇和去离子水分别清洗规格为1.5cm×1.5cm的耐高温玻璃基板：异丙醇超声清洗1次，时间为15min；乙醇超声清洗2次，每次1min；丙酮超声清洗2次，每次1min；去离子水超声清洗2次，每次1min；氧气等离子体处理1次，时间为5min；2)将碳纳米管、氧化石墨烯和去离子水按质量比3:1:15混合，在室温下搅拌10h，得到搅拌均匀的石墨烯/碳纳米管混合溶液；3)利用氧气等离子体在180W功率下处理耐高温玻璃基板，处理时间为15min；4)将步骤2)的石墨烯/碳纳米管混合溶液注入到挤料装置中，挤出到经步骤3)处理后的耐高温玻璃基板上，通过三维成型得到三维微电极；5)待三维微电极中石墨烯/碳纳米管混合溶液的水分挥发后，置于冷冻干燥机中进行干燥，利用液氮将样品迅速冷却并干燥处理3d，得到气凝胶叉指型微电极；6)对步骤5)所得的气凝胶叉指型微电极在管式炉中于400οC下烘烤2h，进行退火还原处理，制得还原氧化石墨烯/碳纳米管气凝胶微型超级电容器。对本实施例所得产品采用扫描电镜进行形貌表征，结果见图2所示。图2(a)为石墨烯/碳纳米管微电极的截面图像，可以看到明显的分层现象，证明这一成型工艺对于制作叠层结构的有效性。图2(b)，(c)和(d)为石墨烯/碳纳米管微电极的断面图像，样品中石墨烯片层和碳纳米管自组装形成的气凝胶微电极，拥有丰富的孔隙结构和很大的比表面积，为离子吸附提供了丰富的位点。由扫描电镜图像可以发现，氧化石墨烯溶液作为溶剂可以很好地溶解碳纳米管，此外，分散于石墨烯片层之间的碳纳米管可以很好地阻断片层之间的相互粘连，这二者相互作用，可以在冷冻干燥过程中形成网状结构的气凝胶。对本实施例的微型超级电容器进行电化学性能表征，结果见图3。图3(a)为在10-50mVs-1扫速下的循环伏安曲线，图3(a)中的CV曲线都是类矩形形状，说明其电荷储存机制是标准的双电层电容，且响应电流随着扫速的增加而大致增大相同的倍数，这也进一步体现了其双电层的电荷储存机制。图3(b)为本实施例的微型超级电容器在0.2-1.0mAcm-2电流密度下的恒流充放电曲线，图3(b)中的充放电曲线都是较标准的三角形形状，且同一电流密度下的充、放电曲线的对称性很好，这也充分说明了该微电极的双电层储能机制。经计算，该微型超级电容器在10mVs-1的扫速下，容量为16.25mFcm-2。图3(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器制作方法，其特征在于，将配置好的氧化石墨烯和碳纳米管的混合液注入到挤料装置中，通过三维成型得到三维微电极，经过冷冻干燥并退火还原，得到微型超级电容器产品。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器制作方法，其特征在于，将配置好的氧化石墨烯和碳纳米管的混合液注入到挤料装置中，通过三维成型得到三维微电极，经过冷冻干燥并退火还原，得到微型超级电容器产品。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/碳纳米管气凝胶的微型超级电容器制作方法，其特征在于，包括如下具体步骤：1)用异丙醇、丙酮、乙醇和去离子水分别清洗耐高温玻璃基板；2)将碳纳米管、氧化石墨烯和去离子水按质量比3:1:15混合，在室温下搅拌1-24h，得到搅拌均匀的石墨烯/碳纳米管混合溶液；3)利用氧气等离子体在150-200W功率下处理耐高温玻璃基板，处理时间为10-20min；4)将步骤2)的石墨烯/碳纳米管混合溶液注入到挤料装置中，挤出到经步骤3)处理后的耐高温玻璃基板上，通过三维成型得到三维微电极；5)待三维微电极中石墨烯/碳纳米管混合溶液的水分挥发后，进行冷冻干燥处理，得到气凝胶叉指型微电极；6)对步骤5)所得...

【专利技术属性】
技术研发人员：何亮，郭名浩，陈一鸣，王元，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42