一種石墨烯氣凝膠的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種超級電容器電極材料的制備方法,具體涉及一種石墨烯氣凝膠的 制備方法,屬于電容器電極材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002] 傳統電容器通常由一組導電極板加上中間的絕緣材料制成,所能提供的電容通常 是mF和iiF數量級的。隨著科學的發展,具有成百上千法拉的電容器已經出現,即超級電 容器,相比于電池和傳統電容器,具有適中比能量的超級電容器是介于二者之間可以通過 快速充電進行能量儲存在的設備。在混合電動汽車及純電動汽車應用方面,超級電容器因 具有快速的充電能力,可使其最大回收剎車過程中的能量,又因其具有快速的放電能力,從 而為車輛啟動提供較大的加速度。
[0003] 近年來,由于石油資源日趨短缺,并且燃燒石油的內燃機尾氣排放對環境的污染 越來越嚴重,人們都在研究替代內燃機的新型能源裝置。已經進行混合動力、燃料電池、化 學電池產品及應用的研究與開發,取得了一定的成效。但是由于它們固有的使用壽命短、溫 度特性差、化學電池污染環境、系統復雜、造價高昂等致命弱點,一直沒有很好的解決辦法。 而超級電容器以其優異的特性揚長避短,可以部分或全部替代傳統的化學電池用于車輛的 牽引電源和啟動能源,并且具有比傳統的化學電池更加廣泛的用途。正因為如此,世界各國 都不遺余力地對超級電容器進行研究。
[0004] 電極是構成超級電容器的核心部件,其直接決定超級電容器的容量、傳輸速率以 及電容器的效率,其中從超級電容器電極中釋放的能量直接取決于電極材料與集流體界面 的性質,尤其是電荷通過電極材料向集流體的滲透性以及對集流體的腐蝕性,當材料機體 表現出較低的電解液浸潤性,電解液與材料界面的結構和形貌效應將顯著降低電容器的電 容。因此,要得到高性能的超級電容器,關鍵是要發掘新型的電極材料。
[0005] 石墨稀氣凝|父是一種由石墨稀制備形成的二維網狀結構,具有商比表面積、商孔 隙率、高電導率以及良好的熱導率和機械強度,是一種理想的超級電容器電極材料,其一般 通過水熱法直接由氧化石墨水分散液制得,例如,中國專利文獻CN103413689A公開了一種 制備石墨烯氣凝膠的方法,其是以氧化石墨水溶液為原料,以醇作為交聯劑,通過簡單的混 合和分散處理得到前驅體溶液,之后采用水熱的方法,再通過冷凍干燥或超臨界干燥等方 法得到石墨烯氣凝膠,采用上述方法得到的石墨烯氣凝膠比表面積為100_2500m2/g,密度 為1-lOOOmg/cm3,由于比表面積、密度等變化范圍較大,使其性能并不穩定,例如該石墨烯 氣凝膠材料作為電極應用時,其比容量在120-780F/g之間浮動。
【發明內容】
[0006] 為解決現有技術中采用水熱法制備得到的石墨烯氣凝膠結構差異較大、物理指標 不穩定,造成以其作為電極材料應用時性能不穩定的問題,進而提供一種結構穩定,均一性 好的石墨烯氣凝膠的制備方法。
[0007] 為此,本發明采取的技術方案為,
[0008] -種石墨烯氣凝膠的制備方法,包括,
[0009] (1)配制含有氧化石墨烯的聚乙烯醇水溶液,得到濃度為l-10mg/cm3的氧化石墨 烯分散液;
[0010] (2)將所述氧化石墨烯分散液,在不高于零下196°C的條件下進行冷凍,得到冷凍 樣品;
[0011] (3)將所述冷凍樣品進行冷凍干燥,得到冷凍干燥樣品;
[0012] (4)在氬氣與氫氣的混合氣體環境中,將所述冷凍干燥樣品進行高溫還原得到所 需的石墨烯氣凝膠;
[0013] 在所述步驟(4)中,所述高溫還原為在350-450°C下灼燒2-3h后,900-1100°C下再 灼燒2-3h。
[0014] 上述石墨烯氣凝膠的制備方法中,將所述氧化石墨烯分散液進行液氮冷凍,得到 所述冷凍樣品。
[0015] 上述石墨烯氣凝膠的制備方法中,將聚乙烯醇溶解在蒸餾水中超聲分散制得聚乙 烯醇水溶液,再將固體氧化石墨烯超聲分散在所述聚乙烯醇水溶液,得到濃度為l-10mg/ cm3的所述氧化石墨烯分散液。
[0016] 上述石墨烯氣凝膠的制備方法中,在所述步驟(4)中,所述冷凍干燥樣品進行高 溫還原后自然冷卻。
[0017] 上述石墨烯氣凝膠的制備方法中,在所述步驟(4)中所述混合氣體中,氫氣的體 積占混合氣體總體積的5%。
[0018] 上述石墨烯氣凝膠的制備方法中,所述步驟(3)中,所述冷凍干燥的時間依據所 述冷凍樣品的大小而定,每20cm3所述冷凍樣品冷凍干燥1-5天。
[0019] 上述石墨烯氣凝膠的制備方法中,所述步驟(3)中,所述冷凍干燥的時間依據所 述冷凍樣品的大小而定,每20cm3所述冷凍樣品冷凍干燥2天。
[0020] 上述石墨烯氣凝膠的制備方法中,所述聚乙烯醇水溶液的濃度為2. 5mg/cm3。
[0021] 與現有技術相比,本申請采用液氮冷凍的方式得到氧化石墨烯氣凝膠前體,并配 合后續的分段式高溫還原過程,經過不同溫度下的高溫灼燒,去除聚乙烯醇和高溫還原氧 化石墨烯,最終得到石墨烯氣凝膠,采用本申請方法得到的石墨烯氣凝膠結構穩定,均一性 好,材料性能穩定,密度在〇. 34-0. 36mg/cm3之間,具有較低的密度,同時具有一定的機械強 度和彈性。聚乙烯醇在灼燒過程中完全分解成氣體,從而不會殘留任何雜質。
【附圖說明】
[0022] 為了使本發明的內容更容易被清楚的理解,下面根據本發明的具體實施例并結合 附圖,對本發明作進一步詳細的說明,其中
[0023] 圖1為本申請實施例1制備得到的石墨烯氣凝膠;
[0024]圖2為本申請實施例1制備得到的石墨烯氣凝膠的掃描電鏡圖片1;
[0025] 圖3為本申請實施例1制備得到的石墨烯氣凝膠的掃描電鏡圖片2。
【具體實施方式】
[0026] 實施例1
[0027] (1)把聚乙烯醇(PVA)溶解在蒸餾水中,超聲分散,配制成2. 5mg/cm3的聚乙烯醇 的水溶液;
[0028] (2)將固態的氧化石墨烯超聲分散在步驟(1)制備得到的聚乙烯醇水溶液中,配 制成濃度為lmg/cm3的氧化石墨烯分散液;
[0029] (3)取20cm3所述氧化石墨烯分散液進行液氮冷凍,得到冷凍樣品;
[0030] (4)將所述冷凍樣品放入冷凍干燥儀中進行冷凍干燥2天;
[0031] (5)把冷凍干燥后的樣品裝入瓷杯中后放入真空干燥爐內,在氬氣和氫氣形成的 混合氣體的(氫氣體積占混合氣體體積的5%)保護下,進行高溫還原,溫度控制在350°C 干燥加熱3h,然后在900°C下高溫還原3h后自然冷卻,即為所制備的石墨烯氣凝膠S1。
[0032] 實施例2
[0033] (1)把聚乙烯醇(PVA)溶解在蒸餾水中,超聲分散,配制成2. 5mg/cm3的聚乙烯醇 的水溶液;
[0034] (2)將固態的氧化石墨烯超聲分散在步驟(1)制備得到的聚乙烯醇水溶液中,配 制成濃度為5mg/cm3的氧化石墨烯分散液;
[0035] (3)取20cm3所述氧化石墨烯分散液進行液氮冷凍,得到冷凍樣品;
[0036] (4)將所述冷凍樣品放入冷凍干燥儀中進行冷凍干燥2天;
[0037] (5)把冷凍干燥后的樣品裝入瓷杯中后放