高导热石墨烯复合膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高导热石墨烯复合膜及其制备方法、电极和超级电容器。本发明专利技术高导热石墨烯复合膜包括石墨烯和结合在所述石墨烯表面的MxOy氧化物颗粒。本发明专利技术高导热石墨烯复合膜结构稳定，导电和导热性能优异，循环性能和倍率性能高。本发明专利技术制备方法流程简单，易于操作，成本低，产率高，反应条件温和，能耗低，适用于工业化大规模生产。本发明专利技术电极和超级电容器在充放电过程中结构稳定，内阻低，导电性能、导热性能和循环性能以及倍率性能优异。

High thermal conductivity graphene composite membrane and its preparation and Application

The invention discloses a high thermal conductivity graphene composite membrane and a preparation method, an electrode and a super capacitor. The high thermal conductive graphene composite membrane comprises graphene and MxOy oxide particles bonded on the surface of the graphene. The high thermal conductivity graphene composite membrane has stable structure, excellent conductivity and thermal conductivity, high cycle performance and high rate performance. The preparation method has the advantages of simple process, easy operation, low cost, high yield, mild reaction conditions and low energy consumption, and is suitable for large-scale industrial production. The electrode and supercapacitor of the invention have stable structure, low internal resistance, excellent electrical conductivity, thermal conductivity and cycle performance, and excellent rate performance during charging and discharging.

【技术实现步骤摘要】
高导热石墨烯复合膜及其制备方法和应用
本专利技术属于电极材料
，特别涉及一种高导热石墨烯复合膜及其制备方法和应用。
技术介绍
超级电容器(或电化学电容器)是一种介于传统电容器和二次电池的新型储能装置，具有功率密度高，充放电速度快，循环寿命长，维护成本低等优点。超级电容器具有比传统介电电容器更大的能量密度和比电池更高的功率密度，在应急电源、混合动力、数码产品、电子通讯等领域有广阔的应用前景。与传统的电容器相比，超级电容器的电容值要远远高于传统电容器的电容值，所以称之为超级电容器。超级电容器采用表面储能技术，依靠材料表面与电解液间形成的双电层来实现电能的直接存储，可在较短充放电周期内提供高功率和大电流密度。根据储能机制的不同可以分为双电层电容和赝电容。超级电容器是由电极、电解液和隔膜组成。除了电极对超级电容器的性能起决定作用之外，隔膜、集流体和电解液等组成部分也会影响其整体性能，所以在设计电容器时都需予以考虑。电极材料是限制超级电容器发展的关键因素之一，近年来科研人员发展了一些高性能的电极材料，NiCo2O4、MnCo2O4等双金属氧化物，但是这些电极材料都面临一个严重的问题就是在循环过程中由于活性物质的巨大体积膨胀和团聚导致活性材料从极片上破碎或粉化产生脱落，进而影响超级电容器的循环寿命以及安全性能。为了解决超级电容器的电极材料在充放电过程中存在的粉化问题并进一步提高电极材料的结构稳定性，科研工作者提出采用特殊的设计的纳米结构来解决这些问题，如空心的纳米结构可以缓冲体积膨胀的问题、碳包覆技术来限制材料的体积膨胀同时提高活性材料的导电性，然而这些方法也都有其相应的负面影响，空心结构降低了材料的质量密度，包覆结构会阻碍电子和离子的传输与传导等等。超级电容器电极的传统制作方法是将电极材料粉末与导电剂(炭黑、乙炔黑)、粘结剂(聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯)和溶剂混匀后调成糊状，涂覆于集流体上，干燥后压片。传统的电极制作过程繁琐费时，且导电剂和粘结剂的加入增加了整个器件的质量，粘结剂的引入可能堵塞电极材料的孔隙，降低材料的利用率以及增加电极的内阻。另外，粘结剂大部分为高分子有机物，导热系数都很低，这样非常不利于电极材料的散热性能。超级电容器在充放电过程中也会产生大量的热量，如果这些热量不能及时的散发出去势必会影响其性能。超级电容器传统的散热方法一般都是在电池外围加入一些散热器等器件或者是减小电极的面积等方法，但这些方法都不能及时有效的将热量散出。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高导热石墨烯复合膜及其制备方法，以解决现有电极材料结构不稳定，导热性能不理想的技术问题。专利技术的另一目的在于提供电极和超级电容器，以解决现有电极结构稳定性差，内阻大，导热性差从而影响超级电容器电学性能的技术问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术一方面，提供了一种高导热石墨烯复合膜。所述高导热石墨烯复合膜包括石墨烯和在所述石墨烯表面结合的MxOy氧化物颗粒；其中，M为过渡金属元素。本专利技术另一方面，提供了一种高导热石墨烯复合膜的制备方法。所述制备方法包括如下步骤：将氧化石墨烯溶液与Mx(CH3COO)y进行混合处理，获得混合分散液；M为过渡金属元素；将混合分散液进行过滤处理，干燥，获得氧化石墨烯与乙酸盐的混合物膜层；将所述混合物膜层在还原气氛中进行还原退火处理。本专利技术实施例又一方面，提供了一种电极。所述电极包括本专利技术高导热石墨烯复合膜或由本专利技术制备方法制备的高导热石墨烯复合膜。本专利技术实施例又一方面，提供了一种超级电容器。所述超级电容器包括电极，所述电极为本专利技术高导热电极。与现有技术相比，本专利技术高导热石墨烯复合膜以石墨烯为基体，利用石墨烯片层之间紧密堆叠结合形成薄膜，使得薄膜显示出良好的柔韧性，有效地缓冲体积膨胀和增加导电性以及降低热阻。MxOy氧化物颗粒结合在石墨烯片层上，通过石墨烯与MxOy氧化物颗粒协效作用，赋予本专利技术高导热石墨烯复合膜优异的循环性能和倍率性能。因此，本专利技术高导热石墨烯复合膜结构稳定，导电和导热性能优异，循环性能和倍率性能高。本专利技术高导热石墨烯复合膜制备方法利用氧化石墨烯分散液与乙酸盐混合，使得乙酸盐的阳离子与氧化石墨烯表面的基团进行结合，通过还原退火处理后，氧化石墨烯被还原，而M阳离子也会被氧化成金属氧化，并原位结合在石墨烯片层表面，包括原位结合在石墨烯相邻片层之间。另外，石墨烯片层之间紧密堆叠结合形成薄膜，使得薄膜显示出良好的柔韧性，片层之间的间隙有效地缓冲体积膨胀，而且石墨烯也增加导电性以及降低热阻。因此，本专利技术方法制备的高导热石墨烯复合膜具有优异的循环性能、倍率性能、导电和导热性能，而且结构稳定。另外，本专利技术制备方法流程简单，易于操作，成本低，产率高，反应条件温和，能耗低，适用于工业化大规模生产。本专利技术电极和超级电容器由于含有本专利技术高导热石墨烯复合膜材料，因此，电极和超级电容器在充放电过程中结构稳定，内阻低，导电性能、导热性能和循环性能以及倍率性能优异。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例高导热石墨烯复合膜的制备方法的流程图；图2为实施例1提供的高导热石墨烯复合膜的TEM图片；图3为实施例1得到的高导热石墨烯复合膜的的横截面SEM图片；图4为实施例1得到的高导热石墨烯复合膜的作为超级电容器电极材料前100圈循环性能。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。一方面，本专利技术实施例提供了一种高导热石墨烯复合膜(下文统简称为石墨烯复合膜)。所述石墨烯复合膜包括石墨烯和在所述石墨烯表面结合有MxOy氧化物颗粒。其中，石墨烯作为上述石墨烯复合膜的基体，利用石墨烯片层之间紧密堆叠结合形成薄膜，使得薄膜显示出良好的柔韧性。并利用石墨烯片层之间的间隙有效地缓冲体积膨胀。另外，石墨烯热导率高达5000Wm-1K-1，赋予上述石墨烯复合膜优异的导热性能即低的热阻特性。在上述高导热石墨烯复合膜中，对石墨烯的尺寸、层数可以是常规石墨烯的尺寸和层数，也即是说，在本专利技术实施例中，对于石墨烯的尺寸和层数没有要求。上述MxOy氧化物颗粒是结合在石墨烯表面，当然包括结合在石墨烯片层之间，从而实现MxOy氧化物颗粒与石墨烯之间的协效作用，通过石墨烯与MxOy氧化物颗粒协效作用，赋予上述石墨烯复合膜优异的循环性能和倍率性能。一实施例中，MxOy中的M为过渡金属元素。在具体实施例中，该M可以为Mn、Co、Cu等元素，因此，该MxOy氧化物可以是MnO2、Co3O4、CuO中的至少一种。在另一实施例中，该MxOy氧化物颗粒的粒径为10nm-100nm。上述种类和尺寸的MxOy氧化物颗粒能够提高其与石墨烯的协效作用，提高石墨烯复合膜的优异的循环性能和倍率性能。另外，MxOy中的x、y是由M化合价决定的，其表示的是M的氧化物。在上述各实施例中，作为本专利技术一实施例，石墨烯与MxOy氧化物颗粒的质量比为1：(1-5)。优化两者的质量比以提高两者的协效作用，从而提高石墨烯复合膜结构稳定、导电和导热性能、循环性能和倍率性能。在上述各实施例中石墨烯复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高导热石墨烯复合膜，包括石墨烯，其特征在于：在所述石墨烯表面结合有MxOy氧化物颗粒；其中，M为过渡金属元素。

【技术特征摘要】
1.一种高导热石墨烯复合膜，包括石墨烯，其特征在于：在所述石墨烯表面结合有MxOy氧化物颗粒；其中，M为过渡金属元素。2.根据权利要求1所述的高导热石墨烯复合膜，其特征在于：所述石墨烯与MxOy氧化物颗粒的质量比为1：(1-5)；和/或所述MxOy为MnO2、Co3O4、CuO中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的高导热石墨烯复合膜，其特征在于：所述石墨烯复合膜的厚度为20μm-50μm。4.一种高导热石墨烯复合膜的制备方法，包括如下步骤：将氧化石墨烯溶液与Mx(CH3COO)y进行混合处理，获得混合分散液；M为过渡金属元素将混合分散液进行过滤处理，干燥，获得氧化石墨烯与乙酸盐的混合物膜层；将所述混合物膜层在还原气氛中进行还原退火处理。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在所述混合分散液中，所述氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙蓉，赵波，符显珠，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44