一種高分散、高固含量石墨烯-活性炭漿料的制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高分散、高固含量石墨烯-活性炭漿料的制備方法和應用，屬于石 墨烯技術領域。
【背景技術】
[0002] 石墨烯是單層碳原子組成的具有六方晶體結構的二維碳材料，具有獨特的物理、 化學性質，例如高載流子迀移率，電子電導率，比表面積等，因此，在電化學儲能領域，作為 下一代電極材料被寄予了很高的期望，得到了廣泛關注。目前，高質量的石墨烯粉體材料可 基本實現低成本量產，那么接下來勢必要突破石墨烯在具體應用過程中的實際工程問題。 由于石墨烯粉體之間較強的范德華力和Ji-Ji鍵吸引，石墨烯納米片很容易重新團聚在一起， 降低其有效比表面積，嚴重影響其原本優異的電化學性能。科學家通過宏觀自組裝的方法 制備出石墨烯氣凝膠、石墨烯紙等宏觀體，很大程度上解決了石墨烯團聚的問題，例如[專 利:2012102551669]。盡管石墨烯氣凝膠等宏觀體可解決部分石墨烯團聚的問題，而其相對 較低的密度、制備出的宏觀體受限于合成容器的幾何尺寸限制了其進一步大規模應用。通 過對石墨烯納米片的表面修飾，改變其親水/疏水性是另外一種解決石墨烯團聚問題的方 法，而這種方法制備出的石墨烯納米片分散液固含量較低(通常〈lmg/ml)，也不適合近一步 大規模應用。還有一種方法為石墨烯納米片與表面活性劑混合制備石墨烯納米片分散液， 這種方法需要表面活性劑的添加量較大，而表面活性劑多為絕緣材料，也會影響石墨烯納 米片漿料的質量，導致近一步應用的復雜化。因此，針對相應的應用領域，制備特殊的高質 量的石墨烯基分散液，具有重要的理論價值和應用前景。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的為了解決由于石墨烯納米片易團聚而不易得到高質量的石墨烯分 散液的問題，本發明提供了一種高分散、高固含量石墨烯-活性炭漿料的制備方法和應用， 包括以下步驟：
[0004] (1)將氧化石墨粉體材料與一定量的溶劑混合加入到球磨罐中，進行球磨處理，得 到一定粒徑的粉體A;在本發明的步驟（1)中，所述的氧化石墨粉體材料為石墨粉原料經過 強氧化過程得到的最終產物，通常為Hummers或改進的Hummers方法，可為市售產品;所述的 溶劑可為有機溶劑或水，加入量為氧化石墨粉體體積的1 %-50% ;所述的有機溶劑優選為 甲基吡咯烷酮;球磨設備為本技術領域內可知的球磨設備，球磨處理條件:轉速范圍100-1500rpm，優選為500-1000rpm;處理時間0.5-24h，優選為5-12h;得到粉體A的粒徑范圍為1_ 1 Onm。（2)將石墨稀粉體材料與粉體A按照一定的比例混合，同時加入一定量的溶劑混合加 入到球磨罐中，進行球磨處理，得到粉體B;在本發明的步驟(2)中，所述的石墨烯粉體材料 為10層以下石墨烯，所述的粉體A的比例范圍為0.01 %_1 %;所述的溶劑可為有機溶劑或 水，加入量為粉體B體積的1 %-50 % ;所述的有機溶劑優選為甲基吡咯烷酮;球磨設備為本
技術領域內可知的球磨設備，球磨處理條件:轉速范圍100_500rpm，處理時間0.5_12h。（3) 將粉體B、活性炭粉體材料、聚合物膠體材料按照一定的比例混合，在一定的溫度下進行干 混處理，后進行烘干處理，得到粉體C;在本發明的步驟(3)中，所述的活性炭粉體材料的粒 徑范圍1-20μηι，比表面積范圍為1000-4000m 2/g;所述的聚合物膠體可為水性或油性膠，優 選為聚偏氟乙烯(PVDF)，丁苯橡膠(SBR)，羧甲基纖維素(CMC);粉體B的比例為混合物重量 的0.1%-75%，活性炭的比例為混合物重量的15%-90%，聚合物膠體的比例為混合物重量 的1 %-10% ;所述的干混為本技術領域內可知的干混設備，溫度范圍為25-120°C，干混處理 時間為l_24h;烘干溫度80-150°C，時間3-24h; (4)按照一定的固含量，將粉體C與溶劑混合 同時進行真空機械攪拌處理，得到高分散、高固含量的石墨烯-活性炭漿料。在本發明的步 驟(4)中，所述的溶劑為有機溶劑或水，優選為甲基吡咯烷酮(NMP)，真空攪拌設備為本領域 內可知的設備，攪拌時間為3-8h，得到固體含量的范圍為30-40%。本發明所述的漿料可應 用于超級電容器的制備。
[0005] 本發明的有益效果:本發明提供了一種高分散、高固含量石墨烯-活性炭漿料的制 備方法和應用。首先，本發明利用球磨技術控制得到粒徑很小的氧化石墨，氧化石墨由部分 sp2和大部分sp3雜化結構組成，本身sp2雜化結構與石墨烯粉體材料(大部分sp 2雜化結構） 容易產生31-31吸引，導致微小的氧化石墨粉體吸附于石墨烯片層上，而31-31鍵的吸引使得微 小的氧化石墨不易與石墨烯粉體分開。而氧化石墨本身的sp 3雜化結構使得氧化石墨為親 水性，經過處理吸附于石墨烯粉體片層后導致石墨烯也具有了親水性。由于粉體A的添加量 〈1%，因此不會對石墨烯粉體材料的性能有明顯影響。這種混合粉體與活性炭和膠體在高 溫下混合，使得石墨烯與活性炭實現了預結合，且均勻性好。由于活性炭本身很容易制備出 高固含量的漿料，因此可實現高分散性、高固含量的石墨烯-活性炭漿料。解決了單純利用 真空攪拌設備分散石墨烯粉體而產生的分散不均、漿料分層和低固含量的問題;或需添加 大量表面活性劑實現分散石墨烯粉體而嚴重影響石墨烯性能的問題。本發明方法制備的漿 料具有高分散性和高固含量，可應用于超級電容器制備，具有重要的理論和實際意義。
【具體實施方式】
[0006] 下面結合優選實施方式對本發明作進一步說明。
[0007] 為更好地理解本發明，下文將結合實施例對本發明進行詳細描述，但應認識到這 些實施例僅為對本發明進行示例說明，而非限制本發明。以下實施例中使用的化合物或試 劑市售可得，或者可通過本領域技術人員已知的常規方法制備得到;所使用的實驗儀器可 通過商業途徑購得。
[0008] 實施例1:將1000g氧化石墨(購自上海新池能源科技有限公司）與10ml水混合加入 到球磨罐中，進行球磨處理，轉速為500rpm;處理時間為10h;得到平均粒徑為10nm的產物， 標記為粉體A。將100g石墨烯粉體(購自上海新池能源)與lg(0.01%)的粉體A混合同時加入 50ml水，進行球磨處理，轉速lOOrprn，處理時間3h，得到的產物標記為粉體B。將100g粉體B、 8〇〇g活性炭（日本可樂麗YP-50)、100g聚偏氟乙烯在60°C下進行干混處理10h，