石墨烯改性活性炭复合电极材料、制备方法及超级电容器技术

本申请公开了一种石墨烯改性活性炭复合电极材料、制备方法及超级电容器。一种石墨烯改性活性炭复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：配制含活性炭和氧化石墨烯的混合溶液；将混合溶液通过定温冰模板法进行冷冻干燥处理，得到包覆型预复合产物；将预复合产物在惰性气氛下进行热还原，得到石墨烯改性活性炭复合电极材料。本申请的制备方法通过引入石墨烯解决了活性炭导电性差的问题，为活性炭构筑了三维导电网络；通过定温冰模板和低温热还原方法共同调控复合电极材料的孔结构，提高复合电极材料的比表面积，进而提高其电化学性能。本申请的制备方法简单，制备条件稳定可控，可以实现规模化大批量制备。实现规模化大批量制备。实现规模化大批量制备。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯改性活性炭复合电极材料、制备方法及超级电容器


[0001]本申请属于超级电容器材料制备
，具体涉及一种石墨烯改性活性炭复合电极材料、制备方法及超级电容器。

技术介绍

[0002]超级电容器主要由电极材料、电解液、集流体、隔膜纸和正负极壳组成，其中电极材料是影响超级电容器电化学性能的关键因素。电极材料包括碳材料、导电聚合物、过渡金属氧化物、其他材料等。与常规的碳材料相比，导电聚合物、MOF、Mxene和过渡金属氧化物都存在制备工艺繁杂、设备成本较高、环境污染大以及电极材料稳定性较差等问题，阻碍了超级电容器的发展。
[0003]碳材料中的活性炭制备工艺简单、成本低廉、性能稳定，使得其自超级电容器问世以来便被广泛应用于超级电容器电极材料领域。选用椰壳、果壳等生物质原料或煤、石油等副产物为前驱体经过高温碳化
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活化或者活化
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高压热解等后处理得到活性炭。物理活化的活性炭，其形状以颗粒状为主，其孔径分布以微孔居多，其不能调控的孔径分布导致其作为电极材料不能提供更短的离子扩散路径和丰富的离子储存活性位点，其显示出有限的能量密度和不佳的倍率性能，这也限制了其在储能中的应用。
[0004]二维石墨烯具有优异的物理和化学性能，如超高的理论比表面积(SSA)、非凡的机械强度、导电性、极好的电解质润湿性以及对不同界面过程的强适应性，使其成为超级电容器的杰出候选材料。电解液很容易到达石墨烯表面，石墨烯的理论比电容可达550F/g。遗憾的是，目前实际比电容仍低于理论值，其原因主要是其片层易发生堆叠，导致比表面积的利用率低。
[0005]活性炭超级电容器质量/能量密度不高，在大电流密度下充放电过程由于导电性不佳会导致一定的欧姆降，这对超级电容器的性能和使用寿命会有影响。若能在活性炭中加入石墨烯，石墨烯会与活性炭颗粒形成更有利于电子/离子传输的导电网络。活性炭颗粒填充在石墨烯骨架中，可以提升活性炭EDLC型比容量。此外，活性炭颗粒会阻碍氧化石墨烯在还原过程中的自聚集，提高活性炭的比表面积和孔道利用效率，形成有利于电子储存/离子传输的独特结构。目前的研究大部分集中在生物质活性炭与石墨烯的复合，如生物质与氧化石墨烯溶液混合后经过碳化
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活化得到石墨烯复合活性炭材料。生物质活性炭虽然孔道丰富，但其材料电化学性能不稳定、比容量较低且不宜规模化复合。

技术实现思路

[0006]本申请的目的在于克服现有技术的不足，提供一种石墨烯改性活性炭复合电极材料、制备方法及超级电容器，以解决现有技术中石墨烯改性活性炭复合电极材料稳定性不佳、比容量低和产量低的技术问题。
[0007]为了实现上述申请目的，本申请的第一方面，提供了一种石墨烯改性活性炭复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]配制含活性炭和氧化石墨烯的混合溶液；
[0009]将所述混合溶液通过定温冰模板法进行冷冻干燥处理，得到包覆型预复合产物；
[0010]将所述预复合产物在惰性气氛下进行热还原，得到所述石墨烯改性活性炭复合电极材料。
[0011]进一步地，所述冷冻干燥处理的温度为
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60～
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18℃。
[0012]进一步地，所述热还原的温度为100～800℃。
[0013]进一步地，所述混合溶液中，所述氧化石墨烯质量含量百分比为10％～50％。
[0014]进一步地，所述混合溶液的配制包括以下步骤：
[0015]配制氧化石墨烯分散液；
[0016]将所述氧化石墨烯分散液进行透析、冷冻干燥，获得冻干的所述氧化石墨烯；
[0017]将所述活性炭与所述氧化石墨烯按照质量比5：5～9：1混合于溶剂，获得所述混合溶液。
[0018]进一步地，所述氧化石墨烯分散液通过改进Hummers法制备得到。
[0019]本申请的第二方面，提供了一种石墨烯改性活性炭复合电极材料，其采用上述任一项所述的制备方法制备。
[0020]本申请的第三方面，提供了一种超级电容器电极，其包括上述所述石墨烯改性活性炭复合电极材料。
[0021]本申请的第四方面，提供了一种超级电容器，其包括上述所述超级电容器电极。
[0022]与现有技术相比，本申请具有以下的技术效果：
[0023]本申请的一种石墨烯改性活性炭复合电极材料的制备方法通过引入石墨烯解决了活性炭导电性差的问题，为活性炭构筑了三维导电网络；通过定温冰模板和低温热还原方法共同调控复合电极材料的孔结构，提高复合电极材料的比表面积，进而提高其电化学性能。本申请的制备方法简单，制备条件稳定可控，可以实现规模化大批量制备。
[0024]本申请的石墨烯改性活性炭复合电极材料具有不同层次的孔结构，丰富的孔结构形态使其具有高的比容量；此外，通过构筑不同层次的孔结构，石墨烯将活性炭粘结和包裹住，石墨烯复合活性炭可使活性炭颗粒均匀分布于石墨烯骨架中，活性炭颗粒的分散阻碍石墨烯片层的堆叠，增加了石墨烯改性活性炭复合电极材料的比表面积，使其具备良好的电化学稳定性。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为原样活性炭的SEM电镜图(a、b)和本申请实施例4提供的石墨烯改性活性炭复合电极材料的SEM电镜图(c、d)、TEM电镜图(e、f)；
[0027]图2为原样活性炭和本申请实施例4提供的石墨烯改性活性炭复合电极材料的循环伏安特性曲线；
[0028]图3为原样活性炭和本申请实施例4提供的石墨烯改性活性炭复合电极材料的恒
电流充放电曲线；
[0029]图4为原样活性炭和本申请实施例4提供的墨烯改性活性炭复合电极材料的不同电流密度下的质量比容量；
[0030]图5本申请实施例4提供的石墨烯改性活性炭复合电极材料6M KOH超级电容器的50mV
·
s
‑1扫描速率下不同电压的循环伏安特性曲线；
[0031]图6为本申请实施例4提供的石墨烯改性活性炭复合电极材料6M KOH超级电容器的1A
·
g
‑1电流密度下不同电压的恒电流充放电曲线；
[0032]图7为原样活性炭和本申请实施例4提供的石墨烯改性活性炭复合电极材料的6M KOH超级电容器Ragone图；
具体实施方式
[0033]为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0034]本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯改性活性炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：配制含活性炭和氧化石墨烯的混合溶液；将所述混合溶液通过定温冰模板法进行冷冻干燥处理，得到包覆型预复合产物；将所述预复合产物在惰性气氛下进行热还原，得到所述石墨烯改性活性炭复合电极材料。2.如权利要求1所述的一种石墨烯改性活性炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥处理的温度为
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60～
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18℃。3.如权利要求1所述的一种石墨烯改性活性炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述热还原的温度为100～800℃。4.如权利要求1所述的一种石墨烯改性活性炭复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中，所述氧化石墨烯质量含量百分比为10％～50％。5.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：拜永孝，李菲菲，党锡江，张桂兰，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：