本发明专利技术提供了一种用于超级电容器的电极材料。该电极材料是由层数为2层～7层、BET比表面积在300m2/g以上的石墨烯为导电剂，与活性炭、粘结剂混合而形成片层状石墨烯导电剂均匀穿插于活性炭颗粒之间的独特结构。该结构一方面增加了石墨烯与活性炭颗粒的接触面积，提高了电子运输效率；另一方面调整了活性炭颗粒之间的接触间隙，有利于电解液离子的储存，实现了离子的持续供应。因此，与混合乙炔黑、碳纳米管、石墨导电剂的活性炭基电极材料相比，本发明专利技术的电极材料的比电容、功率密度、能量密度、倍率性能、循环稳定性等性能得到极大地改善与提高。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种用于超级电容器的电极材料。该电极材料是由层数为2层～7层、BET比表面积在300m2/g以上的石墨烯为导电剂，与活性炭、粘结剂混合而形成片层状石墨烯导电剂均匀穿插于活性炭颗粒之间的独特结构。该结构一方面增加了石墨烯与活性炭颗粒的接触面积，提高了电子运输效率；另一方面调整了活性炭颗粒之间的接触间隙，有利于电解液离子的储存，实现了离子的持续供应。因此，与混合乙炔黑、碳纳米管、石墨导电剂的活性炭基电极材料相比，本专利技术的电极材料的比电容、功率密度、能量密度、倍率性能、循环稳定性等性能得到极大地改善与提高。【专利说明】
本专利技术属于超级电容器
，具体涉及一种用于超级电容器的电极材料。
技术介绍
超级电容器因其功率密度高、使用寿命长、充电速度快、免维护环保等特点在国防、航天航空、汽车工业、消费电子、通信等领域有较好的应用前景，但目前其低能量密度制约了其广泛应用。活性炭是超级电容器常用的电极材料之一，其具有原料丰富、价格低廉、电化学稳定性高、技术成熟等优点。但是，活性炭的比表面积、孔径分布、微晶结构、表面官能团以及导电率等性质极大地影响着活性炭基超级电容器的性能。其中，活性炭材料的电导率是影响超级电容器性能的重要因素之一。一方面，活性炭材料的电导率影响着超级电容器的恒流充放电性能，从而对超级电容器的能量密度具有重要影响；另一方面，活性炭材料的导电性也直接影响着超级电容器的等效串联电阻，进而影响着超级电容器的功率性能。此外，超级电容器的倍率性能好坏也与活性炭电极材料的导电性密切相关。因此，改善活性炭材料的导电性是提高活性炭基超级电容性能的行而有效的方法之一。而通过添加导电剂可以有效改善活性炭电极材料的导电性。通过添加导电剂可以有效改善活性炭电极材料的导电性。目前，常用的导电剂有乙块黑(Zhang H, Zhang W，et al.SolidState 1nics.2008; 79 (33): 946-950)、碳纳米管(Taberna PL, Chevallier G, Simon P, et al.Mater Res Bull.006;413):478_484)、块状石墨(Michael M, Prabaharan S.J Power Sources.2004; 136 (2): 250-256),而不同导电剂的形态结构对活性炭电极材料的导电性影响也有所不同。纳米尺寸的乙炔黑作为导电剂时容易团聚，导致其电子与离子运输能力大大降低，因此，超级电容器的性能也大大降低。块状石墨的尺寸在微米量级，而且其内电阻较低，但是将块状石墨作为导电剂时，块状结构的石墨与活性炭粒子混合后导电性局限在二者的边缘接触部分，导致不能有效地发挥石墨的导电作用。纤维状碳纳米管作为导电剂时，其形成的网状通道有利于电子运输，但却无法改善活性炭颗粒之间的孔隙而储层电解液离子。
技术实现思路
本专利技术的技术目的在于提供一种用于超级电容器的活性炭基电极材料，该电极材具有高比容量、高比功率、高比能量、优良倍率性能与长循环性能，本专利技术实现上述技术目的所采用的技术方案为:一种用于超级电容器的电极材料，由活性炭、片层状石墨烯与粘结剂组成，其中，片层状石墨烯的层数为2层?7层，BET比表面积在300m2/g以上；如图1所示，片层状石墨烯均匀穿插于活性炭颗粒之间；并且，片层状石墨烯与活性碳的质量比为1:19?1:1。作为优选，片层状石墨烯的层数为3层?5层。作为优选，片层状石墨烯的BET比表面积在350m2/g?1000m2/g。所述的粘结剂用于粘结活性炭与导电剂，使其固定成型，其种类不限，包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素钠(CMC)等。粘结剂含量不限，优选占活性碳质量的5%?10%。所述的石墨烯的制备方法不限，包括化学剥离法，即以氧化石墨为前躯体，使用化学还原、溶剂热还原、热膨胀还原等手段得到石墨烯；合成法，即通过有机前躯体合成石墨烯，或者溶剂热合成石墨烯等；催化生长法，包括碳化硅外延生长石墨烯，气相沉积石墨烯坐寸O考虑到操作的难易程度以及消耗时间等问题，本专利技术中优选采用微波热还原的方法制得所需的石墨烯，具体为:采用Hummer’ s化学法制备氧化石墨，将该氧化石墨分散于去离子水中形成分散液，经冷冻干燥技术处理后得到氧化石墨，然后将该氧化石墨放入微波炉中，采用微波热还原(Zhu Y1Murali S，et al.Carbon.2010; 48 (7): 2118-22)技术使其剥离还原为石墨稀。此外，利用该微波热还原法使氧化石墨微波剥离还原而形成的石墨烯的缺陷结构比SP2碳原子可以存储更多电荷，使得材料表面电荷分布不均匀，从而产生电荷分布电容，缺陷结构越多则分布电容越大。该缺陷结构也使得表面官能度增加，石墨烯表面与电解质离子的吸附作用加强，最终形成双电层时其紧密层电容增加。因而，该微波剥离石墨烯的缺陷结构也有助于提高比电容性能。所述的Hummer’ s化学法制备氧化石墨是本领域中常用的方法，即:将天然石墨、硝酸钠、浓硫酸混合并置于冰水浴中机械搅拌均匀，然后加入高锰酸钾搅拌反应，再将所得的反应产物稀释后加入过氧化氢以除去过量的高锰酸钾，最后用盐酸与去离子洗涤后得到氧化石墨。本专利技术还提供了一种用于上述超级电容器的电极材料的制备方法，采用传统涂覆法将活性炭、片层状石墨烯与粘结剂均匀混合在溶剂中形成浆料，然后将该浆料均匀涂覆在基体材料表面，经干燥处理后模压成型，得到电极材料。上述制备方法中，所述的溶剂包括但不限于乙醇、丙醇、叔丁醇、N-甲基吡咯烷酮。上述制备方法中，所述的基体材料不限，包括多孔材料，例如多孔泡沫镍、铝箔材料、钛材料等。综上所述，本专利技术选用层数为2层?7层、BET比表面积在300m2/g以上的石墨烯作为导电剂，与活性炭颗粒混合后形成具有新型结构的电极材料，特点如下:(I)石墨烯呈片层状，具有厚度较薄、面积较大的优点，当与活性炭混合后，正是由于石墨烯的该结构特征，使其能够“灵活自如地” “穿插在”活性炭颗粒间，形成一种独特的电极材料结构。该电极材料结构中，石墨烯均匀“穿插在”活性炭颗粒间，一方面能够增加石墨烯与活性炭颗粒的接触面积，为电子运输提供了一条“宽敞”的通道，从而提高了电子运输效率；另一方面能够调整活性炭颗粒之间的接触间隙，有利于电解液离子的储存，实现持续的离子供应，从而有效防止电解液离子的“饥饿效应”。(2)本专利技术人发现，虽然石墨稀具有闻电导率，在活性碳中增加石墨稀有助于提闻电极材料的导电性，但是电极材料的性能并非与石墨烯含量呈简单的线性递增关系，而是当片层状石墨烯与活性碳的质量比选择为1:20?1:1时，电极材料实现高性能，当片层状石墨烯与活性碳的质量比选择为1:15?1:7时，电极材料的性能进一步提高。(3)实验证实，与乙炔黑、碳纳米管、石墨等为导电剂的活性炭基电极材料相比，本专利技术以石墨烯为导电剂的活性炭基电极材料的比电容、功率密度、能量密度、倍率性能、循环稳定性等性能都有极大地改善与提高。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术以石墨烯为导电剂的活性炭基电极材料的结构示意图；图2中的(a)图是本专利技术实施例1中的氧化石墨水分散液外观图；图2中的(本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于超级电容器的电极材料，其特征是：由活性炭、石墨烯与粘结剂组成，其中，石墨烯均匀穿插于活性炭颗粒之间；所述的石墨烯层数为2层～7层，BET比表面积在300m2/g以上；并且，所述的石墨烯与活性碳的质量比为1:19～1:1。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：秦禄昌，李选福，周明，田天，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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