一种高倍率超级电容器复合电极材料及其制备方法，该复合电极材料通过石墨烯氧化物的含氧基团与碳水化合物的含氧基团之间的氢键作用而得到的，在微观上石墨烯包裹在活性炭颗粒表面，整体上呈海绵状多孔结构；本发明专利技术材料经过高温活化制得，所以其结构稳定；作为超级电容器的电极材料，采用本发明专利技术方法制备的活性炭/石墨烯复合材料表现出比传统活性炭更加优异的倍率性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学超级电容器
，具体涉及ー种高倍率超级电容器复合电极材料及其制备方法。
技术介绍
超级电容器具有功率密度高、工作温度范围宽及循环寿命长等优点，在可再生能源利用、交通、电力、通讯、国防等领域有着巨大的应用价值和市场潜力。特别是风力、光伏发电及电动车的兴起使得超级电容器这一新型储能技术的研发日益受到重视。超级电容器按着储能机理可分为电化学双电层电容器、电化学准电容器和混合型超级电容器。电化学双电层电容器主要利用在电极材料/电液质界面形成的双电层存储能量。碳基材料因其原料丰富、价格低廉、制备エ艺简单、抗化学腐蚀性能好且比表面积高等 优点而成为研究最早并且获得实际应用的超级电容器电极材料。可应用于超级电容器的碳基电极材料包括活性炭、活性炭纤维、碳凝胶、碳纳米管和模板炭等，其中大比表面活性炭在超级电容器中应用的最为广泛。2004年英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov在Science杂志上发表了通过微机械カ剥离方法利用胶带剥离高定向石墨制备单层石墨烯，而石墨烯是由单层碳原子紧密排列形成的具有ニ维蜂窝状晶体结构的碳素材料，其独特的结构使其具有量子霍尔效应、高理论比表面积(2630m2 · g’、高电子迁移率(室温下20000cm2 · V—1 · s—1)、高杨氏模量(1060GPa)、高強度(130GPa)和高热导率(SOOOWi1 -Γ1)等优良的物理化学性质，使其在储能、催化、传感器以及功能性复合材料等领域有较广泛的应用前景。而化学转化石墨烯或氧化石墨烯材料在表面和边缘含有大量的含氧基团(羰基、羧基和环氧基团等)，为其在溶剂中与碳材料复合制备高倍率碳材料/石墨烯复合电极材料提供了便利。目前，石墨烯材料与碳材料的复合主用集中在碳纳米管领域。石墨烯与碳纳米管复合方式较多，主要包括修饰自组装、化学气相沉积和原位化学还原等方法。石墨烯与碳纳米管形成的复合材料的电化学性能如下表所列。表I采用不同复合方式制备的碳纳米管/石墨烯复合材料的电化学性能 复合方式_质溶液比，值修饰自组装法未给出 ニ胃' I M H2SO4 100 150伏女)化学气相沉积612 二环 6 M KOH 200 400伏女) 原位化学还原法 S18 9 ニう；^循环ニ5: 200-400虽然采用石墨烯与碳纳米管复合可以制备性能较高的超级电容器电极材料，但现阶段碳纳米管相对于其它碳材料昂贵的价格很高，使其在超级电容器电极材料方面的实际应用受到了很大的限制。除此之外，雷志斌和郭春贤等人通过对介孔炭微球表面官能团的修饰，利用正负电荷之间的静电作用实现了介孔炭微球与石墨烯的复合。制备的介孔碳微球/石墨烯复合电极材料在水系电解液中的比电容值达到200F · g'在介孔碳微球表面修饰阶段需要一定量的有机试剂，对环境有害，并且介孔碳微球合成相对复杂。活性炭材料和以上碳材料相比具有生产成本低、制造エ艺简单和比表面积大等优势。虽然商业化的活性炭伴随电流密度的増大或在有机系电解液中应用其电化学性能存在快速衰减，但是化学转化石墨烯材料无论在水系还是有机系电解质溶液中其介孔微孔分级分布、导电性良好并且表面含氧官能团丰富等特性是对活性炭材料的ー种良好的补充。将石墨烯与活性炭复合不仅可以提高其比电容值，而且可以使复合材料具有高倍率特性。因此，化学转化石墨烯与活性炭材料的复合是一个新的研究方向。 截止到目前，石墨烯与活性炭材料复合的研究较少，尚无相关专利报道。据文献报道，张凯等人利用溶胶凝胶的方法将石墨烯和酚醛树脂基活性炭进行原位复合。但其采用的溶胶凝胶过程耗时长，碳源对环境污染严重。本专利技术以生物质为碳源，且利用溶液中化合物含氧官能团的氢键作用快速形成复合体系，缩短化学转化石墨烯与活性炭复合材料的合成时间，同时生物质碳源来源丰富、环境友好。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供ー种高倍率超级电容器复合电极材料及其制备方法，该方法制备的活性炭/石墨烯复合材料表现出比传统活性炭更加优异的倍率性能。本专利技术提供了ー种高倍率超级电容器复合电极材料，该复合电极材料是通过石墨烯氧化物的含氧基团与碳水化合物的含氧基团之间的氢键作用而得到的，在微观上石墨烯包裹在活性炭颗粒表面，整体上呈海绵多孔状结构。本专利技术还提供了所述高倍率超级电容器复合电极材料的制备方法，该方法包括如下步骤(I)将石墨烯氧化物粉末溶解到溶剂中，得到石墨烯氧化物溶液，然后将可溶性碳水化合物加入上述石墨烯氧化物溶液中，搅拌一段时间，得到碳水化合物/石墨烯氧化物预制物溶液；其中，可溶性碳水化合物与石墨烯氧化物粉末的质量比为100:广1:100 (优选1:1)；(2)去除碳水化合物/石墨烯氧化物预制物溶液中的溶剂，得到碳水化合物/石墨烯氧化物前驱体；( 3)对碳水化合物/石墨烯氧化物前驱体进行预炭化，得到炭化产物/石墨烯复合物中间体；(4)将炭化产物/石墨烯复合物中间体与碱性物质按照质量比为10: f 1:10 (优选I: I)，在搅拌速度为100 1000r · mirT1 (优选400r · mirT1)的条件下在溶剂中混合浸溃O.5 72h (优选24h)，得到碱性物质浸溃的炭化产物/石墨烯复合物中间体的悬浊液。浸溃所用的溶剂为水、こ醇中的一种或其混合物；(5)去除炭化产物/石墨烯复合物中间体悬浊液中的溶剂，得到碱性物质浸溃的炭化产物/石墨烯复合物中间体的固体颗粒；(6)将碱性物质浸溃的炭化产物/石墨烯复合物中间体的固体颗粒在惰性气氛、气体流速为5(T500ml · mirT1 和20(Tl500°C (优选范围为55(Tl200°C)的温度条件下活化得到高倍率的活性炭/石墨烯复合超级电容器电极材料初产物；(7)高倍率活性炭/石墨烯复合超级电容器电极材料初产物经过酸洗、水洗，得到高倍率活性炭/石墨烯复合超级电容器电极材料的终产物，上述最终产物，在10(Tl30°C的鼓风干燥箱内干燥保存，用于电化学性能的测试。本专利技术提供的高倍率超级电容器复合电极材料的制备方法，在步骤(I)中，所述石墨烯氧化物粉末的具体制备方法为SI，提供ー种石墨粉末；S2，氧化SI步骤中所述石墨粉末以获得氧化石墨烯粉末。在SI步骤中，所述石墨粉末的粒径不限，优先选择过325目的石墨粉末。在S2步骤中，所述氧化处理该石墨粉末的具体过程为S21，将石墨粉末和硝酸钠粉末均匀分散至一硫酸溶液。具体为，可将过325目的l 15g石墨和l 30g硝酸钠粉末加入至5(T500ml的浓硫酸中形成混合物,并进ー步搅拌该混合物以获得均匀分散所述石墨和硝酸钠粉末，该搅拌时间不等，可为O. 5 24h。注意此过程一直在冰浴或冰水浴中完成以防止该混合物温度过高；S22，向所述均与分散有石墨粉末和硝酸钠粉末的硫酸溶液中缓慢加入高锰酸钾粉末以形成一悬浊液，所述加入速度通过控制加入时间来控制，具体为在f5h内加入5^75g高锰酸钾粉末以避免发生剧烈升温而发生爆炸；S23,向所述悬浊液中加入一定量的水，如可加入10(Tl000ml水，并加热该悬浊液使其经历中温反应阶段(在3(T60°c范围内ー个温度恒温)和高温反应阶段(在8(noo°c范围内ー个温度恒温)，最終得到石墨烯氧化物；S24，进行至少一次的用水稀释并且离心所述石墨烯氧化物，并将在鼓风干燥箱中4(本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高倍率超级电容器复合电极材料，其特征在于：该复合电极材料通过石墨烯氧化物的含氧基团与碳水化合物的含氧基团之间的氢键作用而得到的，在微观上石墨烯包裹在活性炭颗粒表面，整体上呈海绵多孔状结构。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：阎景旺，姜磊，郝立星，薛荣，衣宝廉，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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