CN103824701B - 活性石墨烯复合电极材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种活性石墨烯复合电极材料，其特征在于，提供或制备的活性石墨烯表面和片层之间均匀分布活性炭粒子，其活性石墨烯占复合电极材料的质量百分比为5～90%；活性石墨烯质量百分比小于30%时，添加不超过复合电极材料总质量10%的第三组分。其采用的活性石墨烯与活性炭具有类似的结构，活性炭可以通过物理活化，化学活化以及物理与化学组合活化的方法制成。物理活化法主要通过气体作用形成炭的孔结构，化学法是通过一定的化学试剂作用形成炭的孔结构，从而大大提高炭材料的比表面积。比表面积大大增加，可以为离子的传输提供更多的扩散通道。
Description
技术领域
本发明涉及一种活性石墨烯复合电极材料，属于新能源石墨烯材料。
背景技术
混合动力车、纯电动汽车、燃料电池车等节能及新能源汽车是汽车发展的方向。动力电池、电机和电控是三个核心部分。这其中，又以动力电池对节能及新能源汽车发展的制约因素最大。目前所用的动力电池能量密度较低，重量体积大，使用寿命短，成本较高，工作温度范围窄，充电时间长。为了改善这些不利影响，人们从材料技术入手进行动力电池技术的研究开发。
石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，有望大规模应用于电池领域。公开号CN101383231 A的中国专利公开了以单层石墨材料为电极材料的超级电容器，申请公布号CN102280251 A的中国专利公开了一种基于石墨烯和聚芳醚的超级电容器及其制备方法，公开号CN 101462889A的中国专利公开了一种石墨烯与碳纤维复合材料，申请公布号CN101734650 A的中国专利公开了一种石墨烯—碳纳米管混杂复合材料的制备方法申请公布号CN 101696491 A的中国专利公开了石墨烯/碳纳米管复合薄膜的原位制备方法，申请公布号CN 101894679 A的中国专利公开了一种石墨烯基柔性超级电容器的电极材料的制备方法，申请公布号CN 102983012 A的中国专利公开了一种超级电容器用石墨烯薄膜的制备方法，申请公布号CN 103022505 A的中国专利公开了以石墨烯透析膜为集电体的锂离子电池及其制备方法，申请公布号CN 103021503 A的中国专利公开了一种石墨烯一炭纳米复合透明导电薄膜及其制备方法。
最近，人们开始研究具有孔结构的高比表面积石墨烯材料，例如，申请公布号CN102115069 A的中国专利公开了具有多孔结构的石墨烯及其制备方法，申请公布号CN102107868 A的中国专利公开了一种多孔石墨烯材料的制备方法，申请公布号CN102757036 A的中国专利公开了多孔石墨烯的制备方法，申请公布号CN 102992313 A的中国专利公开了一种中孔发达的高比表面石墨烯及其制备方法，申请公布号CN 102849734 A的中国专利公开了一种多孔石墨烯的制备方法，申请公布号CN 102826542 A的中国专利公开了一种具有中孔的高比表面活性石墨烯、其制备方法及其用途，申请公布号CN103011152 A的中国专利公开了一种具有多孔结构的石墨烯材料及其制备方法，申请公布号CN 102874800 A的中国专利公开了一种中孔的活化石墨烯、其制备方法。
上述具有多孔结构的石墨烯材料多集中于材料的制备，目前已有人开始将高比表面积、多孔石墨烯材料作为活性物质应用于储能领域。例如，申请公布号CN 103011143 A的中国专利公开了石墨烯及其制备方法、超级电容器，申请公布号CN 102923698 A的中国专利公开了一种超级电容器用三维多孔石墨烯的制备方法，申请公布号CN 102891014 A的中国专利公开了石墨烯电极活性物质及其制法和电极材料及电极片和应用，申请公布号CN102992308 A的中国专利公开了一种具有高比电容的石墨烯及其制备方法，申请公布号CN101982408 A的中国专利公开了石墨烯三维结构体材料及其制备方法和应用。
综合以上分析可以看出，石墨烯与电极活性物质组成复合材料可以提高电池器件的性能，但由于石墨烯的二维纳米片层结构使其极易团聚在一起，石墨烯的性能优势很大一部分不能发挥出来。
发明内容
本发明目的在于提供一种活性石墨烯复合电极材料，采用的活性石墨烯与活性炭具有类似的结构，活性炭可以通过物理活化，化学活化以及物理与化学组合活化的方法制成。物理活化法主要通过气体作用形成炭的孔结构，化学法是通过一定的化学试剂作用形成炭的孔结构，从而大大提高炭材料的比表面积。比表面积大大增加，可以为离子的传输提供更多的扩散通道。
本发明的技术方案是这样实现的：活性石墨烯复合电极材料，其特征在于，提供或制备的活性石墨烯表面和片层之间均匀分布活性炭粒子，其活性石墨烯占复合电极材料的质量百分比为5～90%；活性石墨烯质量百分比小于30%时，添加不超过复合电极材料总质量10%的第三组分。
所述的活性石墨烯制备的具体步骤如下：将石墨烯在去离子水中浸泡2～5h，过滤，按照石墨烯与活化剂质量比1：1～1：4加入活化剂混合均匀，放入反应炉里，保护气体氛围经400～600℃预活化0.5～3h，600～900℃活化1～3h，再用去离子水洗涤，并干燥后得到活性石墨烯。
所述的活性石墨烯复合电极材料的制备方法为物理混合，原位复合中的一种或它们的组合。
所述的物理混合方法为搅拌、超声、球磨中的一种或它们的组合，混合过程中可干混、添加溶剂湿混或干混-湿混结合。
所述的复合电极材料原位复合方法的具体步骤如下：按照活性石墨烯占复合电极材料的质量百分比为5～90%，称取石墨烯和作为活性炭前驱体的含碳物质混合均匀，用去离子水浸润完全，加入活化剂分散均匀，放入反应炉里，保护气体氛围经300～600℃预活化0.5～3h，600～900℃活化1～3h，去离子水洗涤，干燥，得到活性石墨烯和活性炭复合材料，活性石墨烯占复合电极材料的质量百分比为5～90%。
所述第三组分为碳纳米管、碳纤维、纳米碳纤维、膨胀石墨、石墨、石墨烯中的一种或它们的组合。
所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠中的一种或它们的组合。
所述的复合材料作为超级电容器、金属空气电池、燃料电池、锂离子电池的电极材料。
本发明的积极效果是其采用的活性石墨烯可以为离子的传输提供更多的扩散通道和存储空间；该复合材料制备工艺简单，易于规模化。活性石墨烯复合材料可以作为超级电容器、金属空气电池、燃料电池、锂离子电池的电极材料。
附图说明
图1是本发明实施例1的复合电极材料的充放电测试曲线。
图2是本发明实施例1的复合电极材料的循环伏安测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：活性石墨烯与作为活性炭前驱体的含碳物质同时活化原位形成复合电极材料，按照活性石墨烯占复合电极材料的质量百分比为5～90%称取石墨烯和作为活性炭前驱体的含碳物质混合均匀，混合通常采用物理混合方法，常用的有搅拌、超声、球磨中的一种或它们的组合，混合过程中可干混、添加溶剂湿混或干混-湿混结合。用去离子水浸润完全石墨烯和作为活性炭前驱体的含碳物质，添加去离子水浸润混合物表面，有利于后续加入的活化剂在混合物表面分散均匀，提高活化效果；水以恰好浸润混合物表面为佳，实验中可以发现，添加的去离子水过多，需要干燥工序，增加能耗；添加的去离子水过少，不能实现炭表面的完全浸润。加入活化剂分散均匀的混合物置于反应炉里，现在保护气体氛围经300～600℃预活化0.5～3h，然后600～900℃活化1～3h，得到的混合产物用去离子水洗涤，干燥，得到活性石墨烯和活性炭复合材料，活性炭均匀分布于石墨烯表面和片层之间。作为活性炭前驱体的含碳物质包括石油焦、沥青、煤，以及植物茎、叶、果壳等形成的炭化物，例如，玉米秸秆、玉米芯、稻壳、水稻秸秆、向日葵秆、椰壳、杏壳、小麦秸秆、小麦壳等。
本发明中，还可以采用物理混合方法制备石墨烯表面和片层之间均匀分布活性炭粒子的复合电极材料，按照活性石墨烯占复合电极材料的质量百分比为5～90%。所述的物理混合方法为搅拌、超声、球磨中的一种或它们的组合，混合过程中可干混、添加溶剂湿混或干混-湿混结合。所述的溶剂为乙醇、去离子水中的一种或它们的组合。
在本发明中，所述的活性石墨烯质量百分比小于30%时，添加不超过复合电极材料总质量10%的第三组分；所述第三组分为碳纳米管、碳纤维、纳米碳纤维、膨胀石墨、石墨、石墨烯中的一种或它们的组合；所述活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠中的一种或它们的组合；所述的活性石墨烯复合材料与粘结剂按照一定比例制成极片，可以作为超级电容器、金属空气电池、燃料电池、锂离子电池的电极。
所述的实施例只是对本发明的权利要求的具体描述，权利要求包括但不限于所述的实施例内容。
实施例1
按照质量百分比30%称取比表面积为2200m2/g的活性石墨烯和比表面积为1600m2/g的活性炭。将活性石墨烯放入到球磨机的球磨罐中，加入少量乙醇搅拌2min，使活性石墨烯完全润湿，加入活性炭继续搅拌1h，取出混合完成的料，干燥，得到活性石墨烯复合电极材料，与聚四氟乙烯按照质量比95：5制成极片，作为超级电容器的电极。如图1、2所示。
实施例2
按照质量百分比60%称取石墨烯和作为活性炭前驱体的稻壳灰混合均匀，用去离子水浸润完全，按照碱炭质量比1：3加入氢氧化钾，搅拌分散均匀，放入反应炉里，保护气体氛围经400℃预活化1h，700℃活化1h，去离子水洗涤，干燥，得到活性石墨烯复合材料，与聚四氟乙烯按照质量比90：10制成极片，可以作为锌空气电池的电极。
实施例3
按照质量百分比20%称取比表面积为2200m2/g的活性石墨烯，将活性石墨烯放入到球磨机的球磨罐中，加入少量乙醇搅拌3min，使石墨烯完全润湿，加入2%的膨胀石墨搅拌30min，再加入少量的乙醇搅拌2min，加入活性炭继续搅拌1h，取出混合完成的料，干燥，得到复合电极材料，与聚偏氟乙烯按照质量比50：50制成可以作为燃料电池的极板。
实施例4
按照质量百分比20%称取比表面积为2200m2/g的活性石墨烯，将活性石墨烯放入到球磨机的球磨罐中，加入少量乙醇搅拌3min，使石墨烯完全润湿，加入3%的碳纳米管搅拌30min，再加入少量的乙醇搅拌2min，加入活性炭继续搅拌1h，取出混合完成的料，干燥，得到复合电极材料，与聚偏氟乙烯按照质量比95：5制成极片，可以作为超级电容器的电极。
实施例5
按照质量百分比10%称取比表面积为2200m2/g的活性石墨烯，将活性石墨烯放入到球磨机的球磨罐中，加入少量乙醇搅拌3min，使石墨烯完全润湿，加入5%的石墨烯搅拌30min，再加入少量的乙醇搅拌2min，加入活性炭继续搅拌1h，取出混合完成的料，干燥，得到复合电极材料，与聚四氟乙烯按照质量比90：10制成极片，可以作为锌空气电池的电极。
Claims (3)
1.活性石墨烯复合电极材料，提供或制备的活性石墨烯表面和片层之间均匀分布活性炭粒子，其特征在于：活性石墨烯占复合电极材料的质量百分比为5%以上且小于30%，添加不超过复合电极材料总质量10%的第三组分，所述第三组分为碳纳米管、碳纤维、石墨、石墨烯中的一种或它们的组合。
2.根据权利要求1所述的活性石墨烯复合电极材料，其特征在于所述的活性石墨烯制备步骤如下：将石墨烯在去离子水中浸泡2～5h，过滤，按照石墨烯与活化剂质量比1：1～1：4加入活化剂混合均匀，放入反应炉里，保护气体氛围经400～600℃预活化0.5～3h，600～900℃活化1～3h，再用去离子水洗涤，并干燥后得到活性石墨烯。
3.根据权利要求1所述的活性石墨烯复合电极材料，其特征在于所述的活性石墨烯复合电极材料原位复合制备步骤：石墨烯和作为活性炭前驱体的含碳物质混合均匀，用去离子水浸润完全，加入活化剂分散均匀，放入反应炉里，保护气体氛围经300～600℃预活化0.5～3h，600～900℃活化1～3h，去离子水洗涤，干燥，得到活性石墨烯和活性炭复合材料。
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