含碳复合材料和电极制造技术

本发明专利技术提供了一种用于制备碳复合材料的方法，该方法包括以下步骤：在200至650℃范围内如约300℃的温度下，加热氧化石墨烯和活性材料的混合物，该活性材料如碳活性材料如活性碳。还提供了由这种方法获得或可获得的碳复合材料。该碳组合物可设置在背板如导电背板上。碳复合材料可以是电容器如超级电容器的组件如电极，并且还提供了用于给包含所述碳复合材料的超级电容器进行充放电的方法。

Carbon containing composites and electrodes

The present invention provides a method for preparing carbon composite materials, which comprises the following steps: heating a mixture of graphene oxide and active material at a temperature of about 300 degrees centigrade at 200 to 650 degrees C, such as a carbon active material such as active carbon. Carbon composites obtained or obtained by this method are also provided. The carbon composition can be arranged on a backplane, such as a conductive backplane. Carbon composites can be components such as capacitors such as electrodes, and also provide a method for charging and discharging a supercapacitor containing the carbon composite.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含碳复合材料和电极相关申请本案要求2015年7月31日提交的GB1513603.9的优先权和权益，其内容在此通过引用以其整体并入。
本专利技术提供用于在超级电容器中使用的含碳电极、用于制备该电极的方法以及包含此种电极的超级电容器。还提供了用于对包含含碳电极的超级电容器充电和放电的方法。本专利技术的进一步方面提供一种用于在含碳电极中使用的含碳复合材料。
技术介绍
超级电容器在要求高功率密度和长循环寿命的电气应用中是非常需要的。因此，超级电容器可以补充或甚至取代这些应用中的传统电池。超级电容器，也称为电双层(EDL)或超电容器，是通过将离子物质可逆吸附到电极表面上来储存能量的电化学装置。与传统电容器相比，超级电容器的能量密度提高了几个数量级(因此使用前缀“超级”或“超”)。超级电容器的功率密度也比大多数电池高，但其能量密度稍低。此外，由于其高度可逆的电荷存储过程，超级电容器具有更长的循环寿命。通过适当的电池设计，超级电容器的能量密度和功率密度范围可以覆盖多个数量级并且这使得它们可非常灵活地作为独立的能源供应或者与电池组合作为混合动力系统。迄今，目前正在对超级电容器的开发进行着大量的研究，其总体目标是提高能量密度，同时在功率密度和循环寿命方面牺牲最少。超级电容器具有浸没在电解质中的两个相对电极，在电极之间放置了离子渗透性隔板。超级电容器的电极通常是通过例如在溶剂中将活性材料与粘合剂以及任选的其它添加剂(如导电添加剂)混合在一起来制备的。将混合物涂布在集电器上，然后干燥。所得到的电极具有跨越集电器表面的一层材料。传统上用于超级电容器的电极是以活性碳为基础的。这种碳在材料成本和电气性能之间提供了良好的平衡。然而，还有相当的范围来改善活性碳基电极的性能。例如，希望改善电极的比电容以及电极的导电性。因此，近来超级电容器领域的工作已经着眼于开发碳电极材料，以降低内电阻并提高电容保持性能。例如，Yanetal.描述了作为石墨烯-MnO2复合材料的碳电极的制备(Yanetal.Carbon2010,48,3825)。此处，通过在微波照射下石墨烯和高锰酸钾之间的氧化还原反应来制备复合材料。将如此制备的材料与导电添加剂炭黑和粘合剂聚(四氟乙烯)(PTFE)混合并且分散在乙醇中。然后将所得的混合物涂布到泡沫镍基材上。据说，该复合材料在2mV/s具有310F/g的总比电容。在类似的方法中，Wangetal.描述了作为石墨烯-Mn3O4复合材料的碳电极的制备(Wangetal.ElectrochimicaActa2010,55,6812)。在该项工作中，制备含有MnO2的有机溶胶并且将其与石墨烯悬浮液混合。使MnO2纳米颗粒与石墨烯纳米片沉淀。加热处理该混合物将MnO2转化为Mn3O4。通过在N-甲基吡咯烷酮(NMP)的存在下，将Mn3O4/石墨烯粉末与聚偏二氟乙烯(PVdF)粘合剂混合制备电极。将所得到的浆料粘贴在铂箔上。据说该复合材料在5mV/s具有175F/g的总比电容。Zhuetal.描述了基于还原的氧化石墨烯和NiO的碳电极的制备(Zhuetal.ElectrochimicaActa2012,64,23)。该复合材料是通过均相共沉淀、随后在高温下用肼还原来制备的。由该复合材料与聚四氟乙烯粘合剂制备电极。US2014/0340818描述了具有多孔碳质材料(如石墨烯)的超级电容器，在该多孔碳质材料中沉积有金属氧化物。Yuetal.已经描述了由石墨烯纳米片和氢氧化钾-活性碳制备碳复合材料(参见Yuetal.RSCAdv.2014,4,48758)。该石墨烯纳米片是通过在氢氧化钾-活性碳存在下对氧化石墨烯进行热处理而获得的。在180℃的温度下将纳米片和活性碳的混合物加热12h。Yuetal.描述了使用碳复合材料以及有机聚合物粘合剂(聚偏二氟乙烯，以5wt％存在)和导电炭黑(以10wt％存在)制备电极。将各组分的混合物涂布到Al箔背板的表面上并且在真空下加热至干燥。US2012/0321953描述了由石墨烯衍生物(包括氧化石墨烯)与作为活性材料的氧化钒组成的复合材料。CN103515805描述了一种用于制备由氧化石墨烯和作为活性材料的磷酸钒锂组成的复合材料的方法。WO2012/155196描述了一种用于生产由氧化石墨烯和另一种前体材料组成的复合材料的方法。工作实例使用钴氧化物和镍氧化物作为前体材料。该复合材料通过“喷雾热解”法制备：将组分作为喷雾引入炉中。US2014/0183415描述了由石墨烯和“结构成形体”组成的复合材料，该结构成形体可以是金属氧化物或由碳化合物形成的。此处，将“碳前体”与石墨烯(或前体氧化石墨烯)混合。在加热后，该前体被碳化以在复合材料中产生碳层。示例性碳前体包括蔗糖、丁醇和萘。CN103794379描述了一种用于制备由石墨烯和碳纳米管组成的复合材料的方法。该方法包括加热氧化石墨烯和碳纳米管的混合物的步骤。在500-700℃范围内加热该混合物。CN104064755描述了一种用于制备由石墨烯、氧化钴和碳纳米管组成的复合材料的方法。在工作例中，以指定的加热速率将含有氧化石墨烯和碳纳米管的混合物从室温加热到500-700℃。CN103275388描述了一种用于制备由氧化石墨烯、二氧化硅和苯乙烯-丁二烯橡胶组成的复合材料的方法。没有描述该复合材料在电容器中的用途。本专利技术人已经于2014年5月6日在Graphene2014(Toulouse,France)上通过摘要和海报描述了用于超级电容器中的碳电极。该摘要和海报的内容通过引用并入本文。本专利技术人的早期著作没有公开制备用于电极的碳复合材料所必需的反应方法。
技术实现思路
本专利技术整体提供了一种碳复合材料，其包含还原的氧化石墨烯和活性材料，例如，碳活性材料如活性碳。该还原的氧化石墨烯具有允许该复合材料粘合到背板的粘合性质，并且还确保活性材料结合在该复合材料中。该复合材料获自并且可获自包含氧化石墨烯和活性材料的混合物(如设置在背板上的氧化石墨烯与活性材料的混合物)的还原。氧化石墨烯的还原可以在使产品复合材料的不可控热膨胀最小化的受控条件下进行。受控的热还原也确保复合材料保持其粘附性质，并由此该复合材料可以粘合到背板如集电器。例如，当与超级电容器中使用的传统碳复合材料相比时，本专利技术的碳复合材料具有更高的比电容、高能量密度和高功率密度。因此，在本专利技术的第一方面，提供了一种用于制备碳复合材料的方法，该方法包括在200至650℃范围内的温度下加热氧化石墨烯和活性材料(例如，碳活性材料如活性碳)的混合物的步骤。本专利技术人已经确定，在大于650℃的温度下，复合材料失去其粘附性能并且不可以将复合材料保留在背板上。确实，可以将反应温度限制在450℃或更低如400℃或更低，以避免这个问题。在低于200℃的温度下，还原反应没能实质地进行，因此氧化石墨烯的还原水平低。产物具有相应低的导电率。在一个实施方案中，在200至450℃如250至350℃范围内的温度下进行热还原，例如，在约300℃。Yuetal.描述了通过氧化石墨烯与KOH-活性碳(KOH-activatedcarbon)的混合物的热处理来制备复合材料。然而，加热温度仅为180℃。在这样的温度下，由于还原的氧化石墨烯的量较低，预期产物具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备碳复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：在200至650℃范围内的温度下加热氧化石墨烯和活性材料的混合物，其中，所述活性材料是碳材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.31 GB 1513603.91.一种用于制备碳复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：在200至650℃范围内的温度下加热氧化石墨烯和活性材料的混合物，其中，所述活性材料是碳材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳材料是活性碳。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述活性碳具有的比表面积为至少1,000m2g-1，如至少1,500m2g-1。4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，所述活性碳是颗粒碳，并且所述颗粒具有至多20μm、如至多10μm的平均最大直径。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述温度在200至450℃的范围内。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述温度在250至350℃、如275至325℃、如约300℃的范围内。7.根据权利要求6所述的方法，其中，将所述混合物加热至多4小时、如至多2小时、如至多1小时。8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其中，将所述混合物加热至少15min、如至少30min、如至少45min。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在减压下，如小于101.3kPa、如50kPa以下、如10kPa以下，加热所述混合物。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在减压下加热所述混合物，并且所述减压不小于0.1kPa、如不小于0.5kPa、如不小于1.0kPa。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在基本不含氧的氮和/或氩气氛下加热所述混合物。12.根据前...

【专利技术属性】
技术研发人员：多纳·加尔赫纳，戈汉·阿马拉通加，史蒂芬·霍夫曼，
申请(专利权)人：剑桥实业有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB