硫掺杂石墨烯/MnO-Mn3O4复合电极材料的激光制备方法及应用技术

硫掺杂石墨烯/MnO

【技术实现步骤摘要】
硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的激光制备方法及应用


[0001]本专利技术属于纳米复合材料和超级电容器
，具体涉及一种硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的激光制备方法及应用。

技术介绍

[0002]微型超级电容器因其具有高循环寿命、快充/放电速度、高功率/能量密度和便携性等优点被用作可穿戴和便携式电子产品的储能器件。对于微型超级电容器而言，电极材料是决定其电化学性能的关键因素。石墨烯具有优异的机械/电化学稳定性、高导电性和大比表面积，广泛用作微型超级电容器的电极材料，但其比电容较低。氧化锰(包括MnO、MnO2和Mn3O4)作为微型超级电容器的电极材料具有高比电容、环境友好、成本低和含量丰富等优点，但其较低的电导率限制了功率密度，而且在氧化
‑
还原的过程中的体积变化使得其循环寿命较低。石墨烯与氧化锰相结合可以同时发挥两者各自的优点，制备的石墨烯/氧化锰复合电极材料具有高比电容、高能量/功率密度和长循环寿命。
[0003]相比于化学合成法、水热法、微波合成法和电沉积法等传统方法，激光加工法是一种制备石墨烯/氧化锰复合电极材料的新方法，具有可扩展性强、操作简单、精度高、效率高、无需掩模等优点，显示出良好的应用前景。目前通过激光加工法制备的石墨烯/氧化锰复合电极材料都是石墨烯和单一锰氧化物构成的复合材料。由于共存的多元锰氧化物可以实现多电荷存储和更高的电压窗口，与石墨烯和单一锰氧化物构成的复合电极材料相比，石墨烯和多元锰氧化物构成的复合电极材料具有更优异的电化学性能。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的激光制备方法及应用，能够制备图案化硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜，并基于加工的叉指形状硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜制备电化学性能优异的微型超级电容器。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0006]一种硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的激光制备方法，包括以下步骤：
[0007](a)将氧化石墨烯和一水合硫酸锰超声混合得到氧化石墨烯/硫酸锰分散液；
[0008](b)将氧化石墨烯/硫酸锰分散液滴涂在PET或者PI基底上，在室温下晾干后得到氧化石墨烯/硫酸锰薄膜；
[0009](c)在扫描振镜配套的控制软件中设置要加工的图案以及相应的扫描速度和扫描间距，通过与皮秒激光器相连接的计算机设置激光参数；
[0010](d)在空气中利用皮秒激光器和扫描振镜在氧化石墨烯/硫酸锰薄膜上进行激光直写从而得到图案化硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜，直写的图案包括矩形和叉指形状。
[0011]所述的硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的应用：使用叉指形状硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜、导电银浆、铜箔、RTV硅橡胶和聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质制备微型超级电容器。
[0012]所述的微型超级电容器的制备过程如下：首先使用导电银浆将裁剪好的铜箔粘接在叉指形状硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜的两侧作为集流体并干燥，接着使用RTV硅橡胶对铜带和导电银浆进行封装并干燥，然后将聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质滴涂到叉指形状硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜的表面并在室温下自然干燥超过24h。
[0013]所述的聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质是通过将3g聚乙烯醇和6g磷酸的混合物在30mL去离子水中于85℃连续搅拌1小时而制得的。
[0014]所述的叉指形状硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜的结构如下：由12个叉指组成，每个极性6个，每个叉指长度为5mm，宽度为1mm，相邻叉指之间的间距为600μm，两侧连接集流体区域的宽度为3mm。
[0015]所述的步骤(a)中氧化石墨烯/硫酸锰分散液的制备过程如下：将0.6g氧化石墨烯和0.15g～1.2g一水合硫酸锰的混合物加入60ml去离子水中，使用超声波细胞粉碎机超声分散4h。
[0016]所述的步骤(b)中氧化石墨烯/硫酸锰薄膜的制备过程如下：将氧化石墨烯/硫酸锰分散液滴涂到PET或者PI基底的表面，室温下自然干燥超过24h。
[0017]所述的步骤(d)中进行激光直写时，首先将氧化石墨烯/硫酸锰薄膜固定在扫描振镜的加工区域，接着按照步骤(c)设置的图形和激光参数进行直写得到图案化硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜，然后调整激光参数除多余的氧化石墨烯/硫酸锰。
[0018]所述步骤(d)中激光直写制备硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜的参数如下：光斑直径为86μm、激光功率为0.6～1.8W、激光波长为532nm、脉宽为10ps、扫描速度为150～550mm/s，直线填充的间距为12～24μm。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]本专利技术在空气中利用皮秒激光和扫描振镜在氧化石墨烯/硫酸锰薄膜上进行激光直写得到图案化硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜，克服了传统石墨烯/氧化锰复合电极材料制备工艺中的需要大量化学试剂、工艺复杂、需要额外添加粘结剂等缺陷，实现了激光制备石墨烯/多元氧化锰复合电极材料；具有简单、高效、制备成本低和环境友好的优点。
[0021]本专利技术基于叉指形状硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜制备的微型超级电容器表现出了优异的电化学性能和机械柔韧性，可以作为便携式和可穿戴电子设备的储能器件。
附图说明
[0022]图1为本专利技术制备方法及应用示意图。
[0023]图2(a)为实施例1、2得到的硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的拉曼光谱测试结果图；图2(b)为实施例1、2得到的硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的X射线衍射测试(2θ＝5～80
°
)结果图。
[0024]图3(a)为实施例1、2得到的硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料(激光功率为
0.6W、0.9W、1.2W)的X射线衍射测试(2θ＝27～80
°
)结果图；图3(b)为实施例2得到的硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料(激光功率为1.5W、1.8W)的X射线衍射测试(2θ＝27～80
°
)结果图。
[0025]图4为实施例1、2得到的氧化石墨烯/硫酸锰和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的激光制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)将氧化石墨烯和一水合硫酸锰超声混合得到氧化石墨烯/硫酸锰分散液；(b)将氧化石墨烯/硫酸锰分散液滴涂在PET或者PI基底上，在室温下晾干后得到氧化石墨烯/硫酸锰薄膜；(c)在扫描振镜配套的控制软件中设置要加工的图案以及相应的扫描速度和扫描间距，通过与皮秒激光器相连接的计算机设置激光参数；(d)在空气中利用皮秒激光器和扫描振镜在氧化石墨烯/硫酸锰薄膜上进行激光直写，得到图案化硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜，直写的图案包括矩形和叉指形状。2.权利要求1所述的硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的应用，其特征在于：使用叉指形状硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜、导电银浆、铜箔、RTV硅橡胶和聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质制备微型超级电容器。3.根据权利要求2所述的硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的应用，其特征在于，所述的微型超级电容器的制备过程如下：首先使用导电银浆将裁剪好的铜箔粘接在叉指形状硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜的两侧作为集流体并干燥，接着使用RTV硅橡胶对铜带和导电银浆进行封装并干燥，然后将聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质滴涂到叉指形状硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料薄膜的表面并在室温下自然干燥超过24h。4.根据权利要求2所述的硫掺杂石墨烯/MnO
‑
Mn3O4复合电极材料的应用，其特征在于：所述的聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质是通过将3g聚乙烯醇和6g磷酸的混合物在30mL去离子水中于85℃连续搅拌1h而制得的。5.根据权利要求2所述的硫掺杂石墨烯/MnO
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恪典，高梦，董霞，梅雪松，朱晨光，段文强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：