一种基于石墨烯的微型超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯的微型超级电容器及其制备方法，包括如下步骤：(1)分别制备均匀分散的氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液；(2)氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液的制备；(3)混合溶液A的制备；(4)复合材料的制备；(5)通过对步骤3中得到的复合材料进行多次辊压制备复合材料薄膜作为超级电容器的极片，然后通过冲压制得超级电容器极片；(6)经过极化形成微电极阵列作为超级电容器的正负极，在手套箱中通过组装得到基于石墨烯的微型超级电容器。本发明专利技术的一种基于石墨烯的微型超级电容器，体积小、成本低、导电率高、电容量高以及能量存储密度较高。

A Micro Supercapacitor Based on Graphene and Its Preparation Method

The invention discloses a micro supercapacitor based on graphene and its preparation method, which comprises the following steps: (1) preparing uniformly dispersed graphene oxide solution and nano-silicon solution respectively; (2) preparing mixed solution of graphene oxide and nano-silicon; (3) preparing mixed solution A; (4) preparing composite material; (5) rolling the composite material obtained in step 3 several times. Supercapacitor electrodes are prepared by pressing composite film as the electrodes of supercapacitors, and then stamping; (6) microelectrode arrays are formed by polarization as the positive and negative electrodes of supercapacitors, and micro-supercapacitors based on graphene are assembled in glove boxes. The invention relates to a graphene-based micro supercapacitor, which has the advantages of small size, low cost, high conductivity, high capacitance and high energy storage density.

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯的微型超级电容器及其制备方法
本专利技术涉及微型超级电容器领域，尤其涉及一种基于石墨烯的微型超级电容器及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着纳米技术的发展，纳米器件的研究成为热点，而微型电容器就是其代表之一。微型超级电容器是一种以微纳米结构形式实现储能的微型能量存储器件，具有高比容量、高储能密度等特点。相比和普通超级电容器，微型超级电容器主要有以下优势：简化超级电容器结构设计；减小器件体积，降低设计成本；可实现器件的微型化、智能化和集成化。石墨烯具有高的比表面积、极好的导电性、优良的导热性，通过氧化石墨还原法获得的石墨烯的性价比较高，且稳定性好，是超级电容器的理想电极材料。使用石墨烯制造出的超级电容器将会比目前所有的超级电容器的能量存储密度都高。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种基于石墨烯的微型超级电容器的制备方法，体积小、成本低、导电率高、电容量高以及能量存储密度较高。本专利技术解决问题所采用的的技术方案是：一种基于石墨烯的微型超级电容器的制备方法，包括如下步骤：(1)分别制备均匀分散的氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液；(2)将所述氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液混合，超声1-3h,得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液，氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为3-12:1-4；(3)向氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液中加入多聚磷酸钠、聚四氟乙烯、乙炔黑和十二烷基苯磺酸钠，超声分散1-5h，得到混合溶液A；(4)将混合溶液A置于水热反应釜中，在100-150℃下反应5-10h，待反应体系冷却至室温时，过滤，得到粗产物，用甲醇和去离子水对所述粗产物洗涤室温下干燥后即得到复合材料；(5)通过对步骤3中得到的复合材料进行多次辊压制备复合材料薄膜作为超级电容器的极片，然后通过冲压制得超级电容器极片；(6)经过极化形成微电极阵列作为超级电容器的正负极，在手套箱中通过组装得到基于石墨烯的微型超级电容器。优选的，步骤1中，制备所述氧化石墨烯溶液包括如下步骤：将石墨粉与浓硫酸混合，先在10℃以下反应2-5h，再升温至20-30℃反应12-24h，生成氧化石墨，石墨粉与浓硫酸的质量比为1：1-5；在真空条件下，将所述氧化石墨在600-1000℃下热处理5-30秒，得到初步剥离的氧化石墨烯；将所述初步剥离的氧化石墨烯与乙二醇混合，初步剥离的氧化石墨烯与乙二醇的质量比为1：1-3，形成氧化石墨烯溶液，超声0.5-1h，以形成单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。优选的，所述石墨粉为粒径是100-500目的天然鳞片石墨。优选的，步骤1中，制备均匀分散的纳米硅溶液包括如下步骤：将纳米硅粉末加入到N-甲基吡咯烷酮中，超声分散10-30分钟，得到均匀分散的纳米硅溶液，纳米硅粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1:1-3。优选的，所述纳米硅的粒径为15-50nm。优选的，步骤3中，氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液、多聚磷酸钠、聚四氟乙烯、乙炔黑和十二烷基苯磺酸钠的质量比为80-95：5-10：2-8:10-20：1-5；多聚磷酸钠的浓度为2-10mmol/L。优选的，步骤5中，所述的辊压次数为10-50次，冲压次数为1-10次。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的一种基于石墨烯的微型超级电容器，体积小、成本低、导电率高、电容量高以及能量存储密度较高；聚四氟乙烯具有高的化学稳定性和憎水及憎油性；纳米硅能够很好的分散在石墨烯的片层之间，防止石墨烯团聚；石墨烯可以提高超级电容器的比容量。具体实施方式实施例1一种基于石墨烯的微型超级电容器的制备方法，包括如下步骤：(1)分别制备均匀分散的氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液；石墨粉为粒径是100目的天然鳞片石墨；制备所述氧化石墨烯溶液包括如下步骤：将石墨粉与浓硫酸混合，先在10℃以下反应2h，再升温至20℃反应12h，生成氧化石墨，石墨粉与浓硫酸的质量比为1：1；在真空条件下，将所述氧化石墨在600℃下热处理5秒，得到初步剥离的氧化石墨烯；将所述初步剥离的氧化石墨烯与乙二醇混合，初步剥离的氧化石墨烯与乙二醇的质量比为1:1，形成氧化石墨烯溶液，超声0.5h，以形成单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。纳米硅的粒径为15nm；制备均匀分散的纳米硅溶液包括如下步骤：将纳米硅粉末加入到N-甲基吡咯烷酮中，超声分散10分钟，得到均匀分散的纳米硅溶液，纳米硅粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1:1；(2)将所述氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液混合，超声1h,得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液，氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为3:1；(3)向氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液中加入多聚磷酸钠、聚四氟乙烯、乙炔黑和十二烷基苯磺酸钠，超声分散1h，得到混合溶液A；氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液、多聚磷酸钠、聚四氟乙烯、乙炔黑和十二烷基苯磺酸钠的质量比为80：5：2:10：1；多聚磷酸钠的浓度为2mmol/L；(4)将混合溶液A置于水热反应釜中，在100℃下反应5h，待反应体系冷却至室温时，过滤，得到粗产物，用甲醇和去离子水对所述粗产物洗涤室温下干燥后即得到复合材料；(5)通过对步骤3中得到的复合材料进行多次辊压制备复合材料薄膜作为超级电容器的极片，然后通过冲压制得超级电容器极片；辊压次数为10次，冲压次数为1次；(6)经过极化形成微电极阵列作为超级电容器的正负极，在手套箱中通过组装得到基于石墨烯的微型超级电容器。实施例2一种基于石墨烯的微型超级电容器的制备方法，包括如下步骤：(1)分别制备均匀分散的氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液；石墨粉为粒径是500目的天然鳞片石墨；制备所述氧化石墨烯溶液包括如下步骤：将石墨粉与浓硫酸混合，先在10℃以下反应5h，再升温至30℃反应24h，生成氧化石墨，石墨粉与浓硫酸的质量比为1：5；在真空条件下，将所述氧化石墨在1000℃下热处理30秒，得到初步剥离的氧化石墨烯；将所述初步剥离的氧化石墨烯与乙二醇混合，初步剥离的氧化石墨烯与乙二醇的质量比为1:3，形成氧化石墨烯溶液，超声1h，以形成单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。纳米硅的粒径为50nm；制备均匀分散的纳米硅溶液包括如下步骤：将纳米硅粉末加入到N-甲基吡咯烷酮中，超声分散30分钟，得到均匀分散的纳米硅溶液，纳米硅粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1:3；(2)将所述氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液混合，超声3h,得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液，氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为12:4；(3)向氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液中加入多聚磷酸钠、聚四氟乙烯、乙炔黑和十二烷基苯磺酸钠，超声分散5h，得到混合溶液A；氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液、多聚磷酸钠、聚四氟乙烯、乙炔黑和十二烷基苯磺酸钠的质量比为98：10：8:20：5；多聚磷酸钠的浓度为10mmol/L；(4)将混合溶液A置于水热反应釜中，在150℃下反应10h，待反应体系冷却至室温时，过滤，得到粗产物，用甲醇和去离子水对所述粗产物洗涤室温下干燥后即得到复合材料；(5)通过对步骤3中得到的复合材料进行多次辊压制备复合材料薄膜作为超级电容器的极片，然后通过冲压制得超级电容器极片；辊压次数为50次，冲压次数为10次；(6)经过极化形成微电极阵列作为超级电容器的正负极，在手套箱中通过组装得到基于石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯的微型超级电容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)分别制备均匀分散的氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液；(2)将所述氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液混合，超声1‑3h,得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液，氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为3‑12:1‑4；(3)向氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液中加入多聚磷酸钠、聚四氟乙烯、乙炔黑和十二烷基苯磺酸钠，超声分散1‑5h，得到混合溶液A；(4)将混合溶液A置于水热反应釜中，在100‑150℃下反应5‑10h，待反应体系冷却至室温时，过滤，得到粗产物，用甲醇和去离子水对所述粗产物洗涤室温下干燥后即得到复合材料；(5)通过对步骤3中得到的复合材料进行多次辊压制备复合材料薄膜作为超级电容器的极片，然后通过冲压制得超级电容器极片；(6)经过极化形成微电极阵列作为超级电容器的正负极，在手套箱中通过组装得到基于石墨烯的微型超级电容器。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的微型超级电容器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)分别制备均匀分散的氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液；(2)将所述氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液混合，超声1-3h,得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液，氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液的质量比为3-12:1-4；(3)向氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液中加入多聚磷酸钠、聚四氟乙烯、乙炔黑和十二烷基苯磺酸钠，超声分散1-5h，得到混合溶液A；(4)将混合溶液A置于水热反应釜中，在100-150℃下反应5-10h，待反应体系冷却至室温时，过滤，得到粗产物，用甲醇和去离子水对所述粗产物洗涤室温下干燥后即得到复合材料；(5)通过对步骤3中得到的复合材料进行多次辊压制备复合材料薄膜作为超级电容器的极片，然后通过冲压制得超级电容器极片；(6)经过极化形成微电极阵列作为超级电容器的正负极，在手套箱中通过组装得到基于石墨烯的微型超级电容器。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的微型超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤1中，制备所述氧化石墨烯溶液包括如下步骤：将石墨粉与浓硫酸混合，先在10℃以下反应2-5h，再升温至20-30℃反应12-24h，生成氧化石墨，石墨粉与浓硫酸的质量比为1：1-5；在真空条件下，将所述氧化石墨在600-1000℃下热处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：张成如，
申请(专利权)人：山东星火科学技术研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37