一种碳基柔性电极的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳基柔性电极的制备方法，将柔性碳基材料作为工作电极，在电解液中先施加正电压进行电化学剥离，然后再施加负电压进行电化学再沉积，清洗，即得。本发明专利技术的制备过程在同一水溶液体系中进行，不涉及有毒有害的化学药品的使用；制备工艺简单，安全可靠，时间短，成本低，适合规模化绿色制备；初始的碳材料既为石墨烯制备提供来源，又可作为电极的柔性基材，所制备的碳基电极保留了初始碳材料优异的力学性能，还可以提供更高的比表面积和电导率，其电极表层的三维结构容易通过调整剥离‑再沉积时间与电场强度来调控；同时集电极材料和电荷集流体于一体，使基于碳基电极材料的柔性全固态储能器件的制作更为简单，具有优异的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种碳基柔性电极的制备方法
本专利技术属于柔性电极的制备领域，特别涉及一种碳基柔性电极的制备方法。
技术介绍
随着电子产品向着智能化、微型化和便携化的方向发展，亟需发展与之匹配的高效柔性储能器件。超级电容器由于功率密度高、循环寿命长、安全无污染、易于实现其柔性化等特点,近年来引起人们的广泛关注。石墨烯材料具有极高的比表面积、优异的电化学性能和良好的机械稳定性，被广泛作为柔性全固态超级电容器的电极材料。而传统的平面状超级电容器通常需要金属作为电荷集流体，电极是将活性物质与粘结剂、导电添加剂混合后涂覆于集流体上制得。虽然粉末状的活性材料通过简单的热压、涂覆、粘贴等方式负载到碳基材料上，但非导电的粘结剂的使用、活性材料的团聚、较为密实的结构以及电极在折叠或者弯曲的情况下容易产生脱落或粉化都会造成最终产物的电化学性能表现不佳，不能满足柔性电子器件的需求。柔性碳电极材料如碳布等，由于其价格相对低廉、导电性能好且化学稳定性高而倍受关注。碳材料的存储机制是双电层电容，靠电极和电解液的界面处的离子吸附和电荷存储实现能量储存。但未被活化的商业碳布或者商业碳毡因为表面化学惰性，孔道无法传输电解液离子，往往具有很小的面积比电容(商品化的碳布仅为1～2毫法拉第/平方厘米)，不能满足实际应用的要求。因此，如何设计合成具有高的活性比表面积，贯通的多级孔结构，有效地调控碳材料表面的官能团和优异性能的碳基电极材料是研究的重点。如中国专利[CN105869923A]、[CN104201006B]通过高温锻炼、等离子体化学沉积等方式对碳布进行表面处理，但处理过程需要惰性气体保护且对设备要求高；大量氧原子的引入虽然对碳材料的储能能力有所提升，但碳材料明显降低的电导率限制了其最终的电化学性能。而采用酸处理等刻蚀方式将碳材料孔洞化，虽然比表面积增大了，但碳材料原本优异的力学性能变差了。更为常见的是通过沉积、涂覆等方式将具有较高电化学活性的石墨烯、碳纳米管、活性碳黑等复合到二维的柔性碳基材料上，构成三维结构来增大比表面积，二维的柔性碳基材料主要起着支撑和导电基材的作用。如中国专利[CN1000358803C]通过气相沉积法将碳纳米管沉积到碳布表面，得到碳纳米管包覆的碳布电极，此法必须在高温和惰性气体环境下制备，条件苛刻且对设备要求高；中国专利[CN107628675A]通过涂覆法将氧化石墨烯粉末包覆到碳布表面，再通过水合肼还原到了导电多孔的碳布电极，而强还原剂水合肼的使用将会带来新的环境危害；中国专利[CN104947134B]将石墨烯粉末通过电化学沉积法沉积到碳布表面，得到了多孔石墨烯修饰的碳布电极，由于石墨烯粉末需要单独制备，无可避免的团聚现象降低了石墨烯的有效电化学利用面积。石墨烯是已知的最薄的一种材料，并且具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点，由于能提升现有设备性能，并使下一代设备更实用，石墨烯基材料被看作是前景深远的高性能电极材料，拥有良好的市场前景。石墨烯通常采用氧化还原法或物理剥离、高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离，制得氧化石墨烯，再通过化学法将氧化石墨烯还原，得到石墨烯。化学方法操作简单，产量高，但是产品质量较低，常使用硫酸、硝酸等强酸，存在较大的危险性，又须使用大量的水进行清洗，带来较大的环境污染。考虑到石墨烯容易团聚，通常都是在使用前才还原氧化石墨烯，而氧化石墨烯含有较丰富的含氧官能团，易于改性；在阳光照射、运输时车厢内高温等外界媒介影响下会不断的还原，较难控制还原后石墨烯的氧含量，同时氧化还原法生产的石墨烯逐批产品的品质往往不一致，难以控制品质，严重影响了超级电容器的可靠性及其实际应用。因此如何连续化地制备具有结构均匀、性能稳定可控的石墨烯宏观组装体需要重点关注和解决。也就是说利用二维层状结构能构建出各种三维结构，克服石墨烯片层间相互堆叠的问题，提高石墨烯基电极的有效电化学利用面积，是挖掘石墨烯在未来能源储存装置应用中的巨大潜力需亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种碳基柔性电极的制备方法，克服了现有技术制备条件苛刻且对设备要求高，所得材料的电导率低、力学性能差，石墨烯的有效电化学利用面积低等的缺陷。该方法工艺简单易操作，过程安全可靠，制备时间短，成本低，制备过程在同一水溶液体系中进行，不涉及有毒有害的化学药品的使用，适合规模化绿色制备；初始的碳材料既为石墨烯制备提供来源，又可作为电极的柔性基材，所制备的碳基电极保留了初始碳材料优异的力学性能，还可以提供更高的比表面积和电导率，其电极表层的三维结构容易通过调整剥离-再沉积时间与电场强度来调控；同时集电极材料和电荷集流体于一体，使基于碳基电极材料的柔性全固态储能器件的制作更为简单，并呈现出较为优异的电化学性能。本专利技术的一种碳基柔性电极的制备方法，包括：将柔性碳基材料作为工作电极，在电解液中先施加正电压进行电化学剥离，然后再施加负电压进行电化学再沉积，清洗，得到具有蓬松结构的碳基柔性电极。上述制备方法的优选方式如下：所述柔性碳材料为碳布或碳毡。所述电解液用量为每平方厘米碳材料为5～50毫升电解液。所述电解液浓度为0.05～3摩尔/升。所述电解液为硫酸盐水溶液。所述硫酸盐水溶液为硫酸锂、硫酸钠、硫酸氢钠、硫酸钾、硫酸氢钾、硫酸铵水溶液中一种或几种。所述电化学剥离：施加电压为2～30伏；电化学剥离的时间为1～60分钟。所述电化学再沉积：施加电压为–1～–20伏；电化学再沉积的时间为1～60分钟。本专利技术的一种所述方法制备的碳基柔性电极，所述的碳基柔性电极：同时集电极材料和电荷集流体于一体。所述碳基柔性电极具有蓬松的多孔结构。本专利技术的一种碳基柔性电极的应用，如在柔性、便携和可穿戴电子产品，还可以应用于吸附和电容去离子等技术中，在水处理领域中的应用。有益效果本专利技术以初始的碳材料为石墨烯提供来源，同时又作为电极的柔性基材，通过电化学剥离–再沉积的方式将低值的碳材料转化为高性价比的电极材料；直接从碳基材料上电剥离出氧化石墨烯，再以碳基材料为柔性集流体沉积并还原氧化石墨烯，避免了目前两步法中存在的储存变性或团聚问题；本专利技术制备过程在同一水溶液体系中进行，不涉及有毒有害的化学药品的使用，还有效地解决通常的石墨烯片层间的严重聚集问题，提高石墨烯电极材料的有效可利用面积；本专利技术实验装置简单，工艺简单易操作，过程安全可靠，时间短，成本低，适合规模化绿色制备；所制备的碳基电极保留了初始碳材料优异的力学性能，还可以提供更高的比表面积和电导率，比表面积为100～600平方米/克，电导率为200～400西门子/平方厘米，其电极表层的三维结构容易通过调整剥离-再沉积时间与电场强度来调控；本专利技术制备的电极材料具有蓬松的多孔结构，能够极大地降低石墨烯片层间的过度堆叠，增加比表面积的利用率；不仅具有大的比表面积、良好的柔性、优异的电学性能和机械性能，并且能够集电极材料和电荷集流体于一体，使基于碳基电极材料的柔性全固态超级电容器的制作更为简单，并呈现出较为优异的电化学性能，面积电容值为800～1500毫法拉第/平方厘米；本专利技术制备的高性能碳基柔性电极，作为一种制备方法简单、成本低、高性能的碳基柔性电极，可组装成全固态储能器，在柔性、便携和可穿戴电子产品领域具有极大的应用价值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳基柔性电极的制备方法，包括：将柔性碳基材料作为工作电极，在电解液中先施加正电压进行电化学剥离，然后再施加负电压进行电化学再沉积，清洗，得到碳基柔性电极。

【技术特征摘要】
1.一种碳基柔性电极的制备方法，包括：将柔性碳基材料作为工作电极，在电解液中先施加正电压进行电化学剥离，然后再施加负电压进行电化学再沉积，清洗，得到碳基柔性电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述柔性碳材料为碳布或碳毡。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解液的用量为每平方厘米碳材料为5～50毫升电解液。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解液浓度为0.05～3摩尔/升。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦宗益，窦振军，李涛，胡铄，沈玥莹，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31