石墨烯复合电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯复合电极，包括集流体及位于集流体表面的电极活性材料，其中，电极活性材料包括石墨烯和二氧化锰，石墨烯以层状结构位于集流体表面，二氧化锰位于层状结构的石墨烯表面，石墨烯在电极活性材料中的质量百分含量为80-90％。此外，本发明专利技术还涉及一种石墨烯复合电极的制备方法及其应用。通过将氧化石墨烯与二氧化锰分步沉积到集流体上，不需要使用粘结剂，从而有效降低了整个电极的等效串联电阻，同时发挥石墨烯与二氧化锰双电层的容量和赝电容，石墨烯的加入可以很好的提高电极的稳定性和电导率。此外，通过电沉积的方法，电极材料直接沉积在电极片上，可以省去复杂的涂布工艺，工艺简单且时间短。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电池或电容器的电极材料领域，尤其涉及一种石墨烯复合电极及其制备方法和应用。
技术介绍
超级电容器以其高能量密度、高功率密度、长寿命、对环境友善等优点而备受关注。在太阳能充电器、报警装置、家用电器、微机的备用电源、飞机的点火装置等航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用前景，已成为世界各国研究的热点。在超级电容器的研究与开发过程中，高比表面积的碳材料是超级电容器理想的电极材料，如活性炭、碳气凝胶、碳纳米管和碳纤维等。尽管碳材料超级电容器已经初步的商业化应用，但是由于其容量比较小，从而其应用也在一定程度上受到较大的限制，需要寻找新的大容量的、稳定可靠的超级电容器电极材料。利用金属氧化物发生氧化还原反应而产生的法拉第准电容进行能量存储的电化学电容器引起了科研工作者的极大兴趣。其中，氧化钌是过渡金属氧化物当中理想的超级电容器材料，但其价格昂贵，难以产业化使用；氧化镍和氧化钴存在工作电位窗口较窄的缺点；而氧化锰资源丰富、价格低廉、具有双电层电容和赝电容的双重特性，且氧化锰材料无污染、可用运于大规模生产，被认为是极具潜力的超级电容器电极材料，引起了人们的广泛关注。但传统制备的氧化锰电极材料存在电阻较大的问题，限制了其进一步应用。
技术实现思路
基于此，有必要 提供一种电阻相对较小的电极及其制备方法。本专利技术提供了一种石墨烯复合电极，包括集流体及位于所述集流体表面的电极活性材料，所述电极活性材料包括石墨烯和二氧化锰，所述石墨烯位于所述集流体表面，所述二氧化锰所述石墨烯表面，其中，石墨烯在所述电极活性材料中的质量百分含量为80-90%。在优选的实施方式中，所述集流体为镍箔或铝箔。一种石墨烯复合电极的制备方法，包括如下步骤步骤一将氧化石墨在溶剂中超声分散制备氧化石墨烯溶液，再通过电沉积法将所述氧化石墨烯沉积至集流体表面，得到氧化石墨烯/集流体电极；步骤二 将所述氧化石墨烯/集流体电极作为工作电极，配合参比电极和辅助电极，在含锰源的电解液中，恒电流作用下在氧化石墨烯/集流体电极上沉积二氧化锰，且二氧化锰沉积在所述氧化石墨烯表面，得到二氧化锰/氧化石墨烯/集流体电极；步骤三还原所述二氧化锰/氧化石墨烯/集流体电极，得到所述石墨烯复合电极，石墨烯在所述电极活性材料中的质量百分含量为80-90%。在优选的实施方式中，步骤一中所述氧化石墨按照下述步骤制备将石墨粉加入至0°C的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，体系的温度保持在10°C以下，搅拌2小时后再在室温下水浴搅拌24小时，然后在冰浴条件下向反应体系中缓慢加入去离子水，15分钟后，再加入含双氧水的去离子水，直至溶液的颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用浓度为10%的盐酸进行洗涤，抽滤，60°C真空干燥即得到氧化石墨。在优选的实施方式中，步骤一中电沉积过程包括如下步骤首先，向制得的氧化石墨烯溶液中加入电解质，超声分散，以得到均匀的溶液作为电解液；然后取集流体作为电极，将其平行对称放置在电解液中，两电极间距为0. 5cm ;再在两电极之间通入40 80V的直流电5 20分钟，在所述电极表面沉积氧化石墨烯，制得氧化石墨烯/集流体电极。在优选的实施方式中，所述电解质是Mg(NO3)2 6H20、Fe (NO3) 3 9H20或Zn(NO3)2 6H20,电解液中电解质的浓度为0. 2 5mg/mL。在优选的实施方式中，步骤二中，所述参比电极为甘汞电极；所述辅助电极为钼电极；所述含锰源的电解液为浓度0. 25-0. 5mol/L的Mn (CH3COO) 2溶液；恒电流的电流密度为1.25mA/cm2。在优选的实施方式中，步骤三中还原所述二氧化锰/氧化石墨烯/集流体电极包括如下步骤将步骤二所得的二氧化锰/氧化石墨烯/集流体电极自然晾干后，真空烘烤I 3小时，再将其放入加热炉管中，在惰性气体氛围下，以10°C /min的加热速率升温至500°C 800°C，保持2 4小时，反应完毕后，在惰性气氛中冷却到室温，得到所述石墨烯复合电极。在优选的实施方式中，所述集流体为镍箔或铝箔。上述方法通过将氧化石`墨烯与二氧化锰分步沉积到集流体上，再将氧化石墨烯还原，制备过程中不需要使用粘结剂，从而有效降低了整个电极的等效串联电阻，同时发挥石墨烯与二氧化锰双电层的容量和赝电容，石墨烯的加入可以很好的提高电极的稳定性和电导率。此外，通过电沉积的方法，电极材料直接沉积在电极片上，可以省去复杂的涂布工艺，工艺简单且时间短。本专利技术的石墨烯复合电极可以广泛应用在大功率锂离子电池、超级电容器等领域。一种超级电容器，包括电解液、两个电极片及置于两个电极片之间的隔膜，所述电极片包括集流体及位于所述集流体表面的电极活性材料，其特征在于，所述电极活性材料包括石墨烯和二氧化锰，所述石墨烯位于所述集流体表面，所述二氧化锰位于所述石墨烯表面，其中，石墨烯在所述电极活性材料中的质量百分含量为80-90%。该超级电容器使用上述石墨烯复合电极制作电极片，稳定性好，电导率高。另外，由于石墨烯复合电极的制备过程中没有使用电阻较高的粘结剂，从而电极片的等效串联电阻较小，超级电容器的功率密度较高。附图说明图1为一实施方式的石墨烯复合电极的制备流程图；图2为实施例制得的石墨烯复合电极的充放电曲线图。具体实施方式下面主要结合附图及具体实施例对石墨烯复合电极及其制备方法和应用作进一步详细的说明。一实施方式的石墨烯复合电极，包括集流体及位于集流体表面的电极活性材料。电极活性材料为石墨烯与二氧化锰的复合材料，其中，石墨烯以层状结构位于集流体表面，二氧化锰位于层状结构的石墨烯表面，石墨烯在电极活性材料中的质量百分含量为80-90%。集流体可以为镍箔或铝箔等金属箔。如图1所示，本实施方式的石墨烯复合电极的制备方法，包括如下步骤步骤S1:将氧化石墨在溶剂中超声分散制备氧化石墨烯溶液，再通过电沉积法将氧化石墨烯沉积至集流体表面，得到氧化石墨烯/集流体电极。优选的，本步骤中的氧化石墨按照如下步骤制备将石墨粉加入至0°C的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，体系的温度保持在10°c以下，搅拌2小时后再在室温下水浴搅拌24小时，然后在冰浴条件下向反应体系中缓慢加入去离子水，15分钟后，再加入含双氧水的去离子水，直至溶液的颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用浓度为10%的盐酸进行洗涤，抽滤，600C真空干燥即得到氧化石墨。进一步，石墨粉优选100 500目的天然鳞片石墨粉。在制得氧化石墨后，将其加入到醇类溶剂中，如乙醇、异丙醇、丙醇等，超声分散0. 5 I小时后，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；然后向氧化石墨烯溶液中加入电解质，如 Mg(NO3)2 6H20、Mg(SO4)2 7H20、Fe (NO3) 3 9H20 或 Zn (NO3)2 6H20 等，超声分散 15 60分钟至溶液均匀，此时包含有电解质的氧化石墨烯溶液可作为电解液，电解液中电解质的浓度为0. 2 5mg/mL ;取集流体作为电极，将其平行对称放置在电解液中，两电极间距为0. 5cm ;再在两电极之间通入40 80V的直流电5 20分钟，在电极表面沉积氧化石墨烯，制得氧化石墨烯/集流体电极。步骤S2 :将氧化石墨烯/集流体电极作为工作电极，配合参比电极和辅助电极，在含锰源的电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯复合电极，包括集流体及位于所述集流体表面的电极活性材料，其特征在于，所述电极活性材料包括石墨烯和二氧化锰，所述石墨烯位于所述集流体表面，所述二氧化锰位于所述石墨烯表面，其中，石墨烯在所述电极活性材料中的质量百分含量为80?90％。

【技术特征摘要】
1.ー种石墨烯复合电极，包括集流体及位于所述集流体表面的电极活性材料，其特征在干，所述电极活性材料包括石墨烯和ニ氧化锰，所述石墨烯位于所述集流体表面，所述ニ氧化锰位于所述石墨烯表面，其中，石墨烯在所述电极活性材料中的质量百分含量为80-90%。2.如权利要求1所述的石墨烯复合电极，其特征在于，所述集流体为镍箔或铝箔。3.—种石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤ー将氧化石墨在溶剂中超声分散制备氧化石墨烯溶液，再通过电沉积法将所述氧化石墨烯沉积至集流体表面，得到氧化石墨烯/集流体电极； 步骤ニ将所述氧化石墨烯/集流体电极作为工作电极，配合參比电极和辅助电极，在含锰源的电解液中，恒电流作用下在氧化石墨烯/集流体电极上沉积ニ氧化锰，且ニ氧化锰沉积在所述氧化石墨烯表面，得到ニ氧化锰/氧化石墨烯/集流体电极； 步骤三还原所述ニ氧化锰/氧化石墨烯/集流体电极，得到所述石墨烯复合电极，其中，石墨烯在所述电极活性材料中的质量百分含量为80-90 %。4.如权利要求3所述的石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于，步骤一中所述氧化石墨按照下述步骤制备 将石墨粉加入至0°C的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，体系的温度保持在10°C以下，搅拌2小时后在室温下水浴搅拌24小时，然后在冰浴条件下向反应体系中缓慢加入去离子水，15分钟后，再加入含双氧水的去离子水，直至溶液的颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用浓度为10%的盐酸进行洗涤，抽滤，60°C真空干燥即得到氧化石墨。5.如权利要求3所述的石墨烯复合电极的制备方法，其特征在于，步骤一中电沉积过程包括如下步骤首先，向制得的氧化石墨烯溶液中加入电解质，超声分散，以得到均匀的溶液作为电解液；然后...

【专利技术属性】
技术研发人员：周明杰，吴凤，王要兵，
申请(专利权)人：海洋王照明科技股份有限公司，深圳市海洋王照明技术有限公司，
类型：发明
国别省市：