一种用于超级电容器的碳纳米电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了属于导电材料技术领域的一种用于超级电容器的碳纳米电极材料及其制备方法。该碳纳米电极材料由单壁碳纳米管或双壁碳纳米管与1层~3层石墨烯杂化而成。该碳纳米电极材料是由单壁碳纳米管或双壁碳纳米管与石墨烯一起在离子液体中，经搅拌或超声或挤出的方法制备而成的。该方法步骤短，无杂质，损耗小，纯度高，成本低，可批量制备高性能的超级电容器的碳纳米电极材料。所制得的超级电容器可在4V~6.5V的电压下工作，基于该碳纳米电极材料的能量密度最高达220Wh/kg。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于导电材料
，特别涉及。
技术介绍
超级电容器是ー种利用电化学的电容原理来储存电能的设备，具有功率密度高，使用寿命长等优点，可以用作不稳定电流的储存(如风能与潮汐能)，以及大型交通工具(如轮船或飞机)的备用照明电源等。但与锂离子电池相比，超级电容器的能量密度比较低，其在交通工具与移动电子设备等方面的应用受到一定限制。目前商业化的电极材料主要是活性碳，但活性炭只能用于工作电压小于3V的电 容器中。而单壁碳纳米管、双壁碳纳米管与I层层的石墨烯具有化学结构稳定，比表面积大，导电性良好的特点，被视为制作下一代高能量密度的电容器的理想电极材料。但单壁碳纳米管或双壁碳纳米管的直径小，管与管之间的范德华力強，易成束而难分散；而I层层的石墨烯在互相叠合后，就变为多层石墨烯；这两种情况都导致比表面积降低，电容性能下降。目前最新的研究思路是制备单壁碳纳米管或双壁碳纳米管的ー种或多种与石墨烯的杂化体，利用二者不同的结构特征，在形成了ー层石墨烯与ー层单壁碳纳米管或双壁碳纳米管相间的结构后，就可以克服二者各自的缺点。但目前直接制备这种杂化体的方法，产率低，纯度低，而且碳纳米管的壁数与石墨烯的层数不易控制。利用氧化石墨烯与官能团化后的单壁碳纳米管或双壁碳纳米管进行自组装，可以形成类似的结构，但在高电压下使用吋，需要在高温环境中进ー步除去各种官能团。而高温作用又导致所得的结构团聚，在离子液体型电解液中的分散效果不佳，同时这种方法处理步骤长，收率低，成本高昂。
技术实现思路
本专利技术针对上述电极材料及其制备方法的缺点进行了创新性的改进，提出了ー种用于超级电容器的碳纳米电极材料及其制备方法。本专利技术提供了一种用于超级电容器的碳纳米电极材料，其特征在于所述碳纳米电极材料由单壁碳纳米管或双壁碳纳米管与石墨烯杂化而成，其中单壁碳纳米管的含量为O wt% 99 wt%,双壁碳纳米管的含量为O wt% 99 wt%,石墨烯的含量为I wt% 99 wt%。本专利技术还涉及上述用于超级电容器的碳纳米电极材料的制备方法，其特征在于该方法具体步骤如下将碳纳米管与石墨烯在氧含量小于O. 5 ppm，水含量小于I ppm的环境中，分散于20 0C ^80で的离子液体(N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐，I-こ基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、I-こ基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、三甲基丙铵双三氟甲磺酰亚胺盐、ニこ基甲铵こ基甲醚双三氟甲磺酰亚胺盐及I-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐等离子液体中的ー种或多种)中，控制所有碳纳米电极材料的总重量为离子液体的1°/Γ20%。在100 rpnT4000 rpm的速率下机械搅拌约I小时 20小时；或将碳纳米电极材料与离子液体混合后超声振荡I小时 24小时；或将碳纳米电极材料与离子液体的混合物经过研磨后，用螺杆挤出机挤出；或上述两种或三种方法的组合，从而制备出ー种用于超级电容器的碳纳米电极材料。本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果I、离子液体的介电特性强，可以克服単/双壁碳纳米管束间的范德华力，以及I层 层石墨烯间的静电力，从而有效得到二者相间的杂化结构。由于离子液体身就是高电压超级电容器的理想电解液，所以其与碳纳米电极材料的混合物就可以直接用于构筑电容器，这样不但使得杂化体的制备步骤简化，也使得超级电容器制备步骤缩短，其成本比用传统的氧化石墨烯法所制备的这类杂化体的成本低609Γ90%。2、通过离子液体分散得到碳纳米电极材料的杂化体后，就可直接使用，所有过程不需要在高温下操作，因此所得到的单/双壁碳纳米管与石墨烯杂化体的结构易保持。因此，以该方法制备的杂化体比传统的氧化石墨烯法制备的这类杂化体，在用于超级电容器时，基于碳纳米电极材料的能量密度可提高O. 5倍 I. 5倍。·3、通过离子液体分散制备碳纳米电极材料的方法，比经过催化剂方法原位制备这类材料的方法，制备温度低，产品纯度高。因此以该方法制备碳纳米电极材料比经过催化剂方法原位制备这类材料的成本要下降4倍 10倍。4、通过离子液体分散制备碳纳米电极材料的方法，可以使用任何制备方法得到的高纯度的单/双壁碳纳米管，以及任何方法制备得到的高纯度的I层层的石墨烯，因此不受任何ー种直接制备这类结构的方法(如石墨电弧法或化学气相沉积法)的过程的限制，具有可放大的特性。具体实施例方式本专利技术提供了，下面结合具体实施例对本专利技术做进ー步说明实施例I将I wt%的单壁碳纳米管(外径为O. 8 ηπΓ . 2 nm,长度为50 nm)、80 wt%的双壁碳纳米管(外径为1.8 nnT4 nm,长度为100 μ m)及19 wt%的单层石墨烯(尺寸为3300 nm2)加入到60で的N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体中，控制所有碳纳米电极材料的总重量为离子液体的20%。在氧含量为O. I ppm，水含量为O. I ppm的环境中，以100rpm的速率机械搅拌24小时即可。将碳纳米电极材料与离子液体的混合物刮膜，制备超级电容器。在6. 5 V下工作时，基于碳纳米电极材料的能量密度为200 Wh/kg。实施例2将10 wt%的单壁碳纳米管(外径为O. 8 nnT2. 3 nm,长度为100 μ m)>70 wt%的双壁碳纳米管(外径为3 nnT6 nm,长度为50 μ m)及20 wt%的双层石墨烯(尺寸为900 μ m2)加入到40で的N-甲基丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体中，控制所有碳纳米电极材料的总重量为离子液体的1%。在氧含量为O. 3 ppm，水含量为O. 3 ppm的环境中，研磨14小时后，用螺杆挤出机挤出即可。将碳纳米电极材料与离子液体的混合物刮膜，制备超级电容器。在5. 5 V下工作时，基于碳纳米电极材料的能量密度为145 Wh/kg。实施例3将49 wt%的单壁碳纳米管(外径为O. 8 nnTl. 2 nm,长度为30 μ m)> I wt%的双壁碳纳米管(外径为2 nnT5 nm,长度为30 μ m)及50 wt%的单层石墨烯(尺寸为9 μ m2)加入到80で的I-こ基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体中，控制所有碳纳米电极材料的总重量为离子液体的13%。在氧含量为O. 2 ppm，水含量为O. 3 ppm的环境中，以4000 rpm的速率机械搅拌6小时，再经过螺杆挤出机挤出即可。将碳纳米电极材料与离子液体的混合物刮膜，制备超级电容器。在4. 2 V下工作时，基于碳纳米电极材料的能量密度为96 Wh/kg ο实施例4将70 wt%的单壁碳纳米管(外径为I. 2 nnT2 nm，长度为3 μ m)、20 wt%的双壁 碳纳米管(外径为2 nnT4 nm,长度为5 μπι)及10 wt%的单层石墨烯(尺寸为9 μπι2)加入到50で的I-こ基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体中，控制所有碳纳米电极材料的总重量为离子液体的18%。在氧含量为O. 2 ppm，水含量为O. I ppm的环境中，以4000rpm的速率机械搅拌24小时，再经过螺杆挤出机挤出即可。将碳纳米电极材料与离子液体的混合物刮膜，制备超级电容器。在4. 5 V下工作时，基于碳纳米电极材料的能量密度为102 Wh/kgο实施例5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于超级电容器的碳纳米电极材料，其特征在于所述碳纳米电极材料由单壁碳纳米管或双壁碳纳米管的ー种或多种与石墨烯杂化而成，所述单壁碳纳米管的含量为Owt% 99 wt%,双壁碳纳米管的含量为O wt% 99 wt%,石墨烯的含量为I wt% 99 wt%。2.根据权利要求I所述的ー种用于超级电容器的碳纳米电极材料，其特征在于所述单壁碳纳米管的外径为O. 8 nnT2. 3 nm,长度为30 ηπΓ ΟΟ μ m;双壁碳纳米管的外径为I. 8 nnT6 nm,长度为30 ηπΓ ΟΟ μ m,石墨烯的层数为I层 3层,石墨烯的尺寸为300nm2 900 μ m2。3.—种权利要求I所述的碳纳米电极材料的制备方法，其特征在于该方法具体步骤如下 将碳纳米管与石墨烯在氧含量小于O. 5 ppm,水含量小于I...

【专利技术属性】
技术研发人员：骞伟中，余云涛，郑超，孔垂岩，崔超婕，许骛然，魏飞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：