一種超級電容器的電極材料及制備方法、應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電極材料的技術領域，特別涉及一種超級電容器的電極材料及制備方法、應用。
【背景技術】
[0002]超級電容器作為最重要的能量存儲裝置之一，具有功率密度高，循環(huán)壽命長的顯著優(yōu)勢，但其能量密度低。開發(fā)高能量密度兼具高功率密度的超級電容器是目前電容器產(chǎn)業(yè)的熱點和難點。開發(fā)高容量的電極材料是制備高能量密度超級電容器的關鍵。
[0003]石墨烯由于其獨特的二維納米結(jié)構(gòu)、極高的表面積、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、寬的電化學窗口、卓越的電學和熱學性能，以及易加工成柔性薄膜等優(yōu)異性能，被認為是一種理想的超級電容器電極材料。石墨烯主要通過在電極/電解液界面形成雙電層儲能，其理論比電容在550F/g。相對而言，基于氧化還原反應儲能的過渡金屬氧化物電極材料具有更高的理論容量，例如，MnO2比電容達到1370F/g，但這些高容量的過渡金屬氧化物的導電性能差，從而限制了能量的快速存儲和釋放。把過渡金屬氧化物與高導電性的石墨烯復合可望克服單一組分的缺陷，獲得高容量超級電容器電極材料。
[0004]超級電容器電極的性能常用質(zhì)量比容量評價，然而隨著許多便捷式電子產(chǎn)品設計得越來越薄，體積越來越小，用于存放儲能器件的空間極其有限，因此用體積比容量(單位體積空間內(nèi)存儲的電量)評價超級電容器材料性能就變得尤為重要。從公式Q = CgXp(Q:單位體積存儲的電量，Cg:質(zhì)量比容量，P:電極的密度)可知，要想獲得高體積比容量，需要提高電極的密度，但這會導致電極的可利用表面積降低以及電解液中離子在電極中的擴散速度變慢，最終導致器件的比容量和功率密度變小。對于目前的石墨烯/金屬氧化物電極材料而言，由于石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)，其在材料中的緊密堆積將會限制電解液與金屬氧化物充分接觸，并阻礙電解液中離子在整個電極材料中快速迀移，導致器件的容量和充放電性能不佳。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明目的在于提供一種超級電容器的電極材料，以解決現(xiàn)有的石墨烯/金屬氧化物電極材料，由于石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)，其在材料中的緊密堆積將會限制電解液與金屬氧化物充分接觸，并阻礙電解液中離子在整個電極材料中快速迀移，導致器件的容量和充放電性能不佳，且體積比容量不高的技術性問題。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供上述的超級電容器的電極材料的制備方法，以解決現(xiàn)有的石墨烯/金屬氧化物電極材料，由于石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)，其在材料中的緊密堆積將會限制電解液與金屬氧化物充分接觸，并阻礙電解液中離子在整個電極材料中快速迀移，導致器件的容量和充放電性能不佳，且體積比容量不高的技術性問題。
[0007]本發(fā)明的再一目的在于提供上述的超級電容器的電極材料在制備超級電容器中的應用。
[0008]本發(fā)明目的通過以下的技術方案實現(xiàn):
[0009]一種超級電容器的電極材料，包括多孔石墨烯/金屬氧化物納米顆粒復合材料，所述復合材料的密度大于lg/cm3。
[0010]優(yōu)選地，所述復合材料的密度為1.l_3g/cm3。
[0011]優(yōu)選地，所述復合材料包括多孔石墨稀和金屬氧化物納米顆粒，所述多孔石墨稀的含量為 0.1wt % -70wt%。
[0012]優(yōu)選地，所述復合材料包括多孔石墨稀、金屬氧化物納米顆粒和粘合劑。
[0013]優(yōu)選地，所述金屬氧化物納米顆粒選自MnO2納米顆粒、Ni (OH) 2納米顆粒、N1納米顆粒、RuO2納米顆粒、T1 2納米顆?；駽uO納米顆粒的其中一種或幾種。
[0014]上述的超級電容器的電極材料的制備方法，包括以下步驟:
[0015]a.制備多孔石墨稀/金屬氧化物納米顆粒復合材料；
[0016]b.將所述復合材料在壓機下壓實，所述壓機的壓強為l_200Mpa，得到密度大于lg/cm3的電極材料。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟a進一步包括:
[0018]al.用刻蝕劑使石墨烯表面形成孔洞得到多孔石墨烯；
[0019]a2.將多孔石墨稀與金屬氧化物納米顆粒復合得到多孔石墨稀/金屬氧化物納米顆粒復合材料。
[0020]優(yōu)選地，所述步驟a進一步包括:
[0021]al.將石墨稀與金屬氧化物納米顆粒復合形成石墨稀/金屬氧化物納米顆粒復合材料；
[0022]a2.再將所述石墨稀/金屬氧化物納米顆粒復合材料中的石墨稀刻蝕成多孔石墨稀得到多孔石墨稀/金屬氧化物納米顆粒復合材料。
[0023]優(yōu)選地，所述步驟a進一步包括:
[0024]將多孔石墨烯與金屬氧化物納米顆粒復合得到多孔石墨烯/金屬氧化物納米顆粒復合材料。
[0025]優(yōu)選地，所述步驟a進一步包括:
[0026]在多孔石墨烯的分散體系中，以金屬鹽或有機金屬化合物為前體物，通過熱分解或者水解反應得到相應的金屬氧化物納米顆粒并與所述多孔石墨烯復合得到多孔石墨烯/金屬氧化物納米顆粒復合材料，該復合方法可避免金屬氧化物納米顆粒團聚。
[0027]優(yōu)選地，所述步驟b中還包括在壓實前將粘合劑加入所述復合材料并混合的步驟。加入粘合劑可使復合電極材料顆粒之間的結(jié)合更牢固，并易于與銅箔等金屬集流體緊也彡口口。
[0028]優(yōu)選地，所述復合步驟包括:
[0029]將金屬氧化物納米顆粒與石墨稀或多孔石墨稀機械混合。
[0030]上述的超級電容器的電極材料在制備超級電容器中的應用。
[0031 ] 所述多孔石墨烯可由氧氣、二氧化碳、氫氧化鉀、雙氧水、高錳酸鉀、硝酸等刻蝕劑中的一種或者它們的混合物刻蝕石墨烯得到。
[0032]金屬氧化物納米顆?？捎善淝绑w物，如氯化錳、硝酸錳、高錳酸鉀、鈦酸酯、四氯化鈦，三氯化鈦、草酸鎳、醋酸鎳、硝酸鈷和六氟鈦酸銨等經(jīng)過熱分解或者水解生成。
[0033]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有以下有益效果:
[0034]1、本發(fā)明的電極材料的多孔石墨烯由于具有大量的孔洞，使得電解液與金屬氧化物可以充分接觸，可充分利用金屬氧化物材料用于電化學反應，并為電解液中離子提供快速擴散通道，使得電極材料具有高體積容量并具有高功率密度，且具有較佳的充放電性能，且電極材料的密度高。
[0035]2、本發(fā)明的電極材料由多孔石墨烯與金屬氧化物復合形成，在所有方向?qū)﹄娊庖憾纪ㄍ福姌O材料在所有方向?qū)﹄娊庖憾纪ㄍ甘侵鸽娊庖褐械碾x子不受石墨烯片層結(jié)構(gòu)的阻礙，既可以經(jīng)過石墨烯片層之間的空隙也可以經(jīng)過石墨烯表面的孔洞與金屬氧化物接觸以參加電化學反應，從而提高了超級電容器的容量和充放電性能。
[0036]3、本發(fā)明的電極材料中的多孔石墨烯可以提高電極的導電性能，特別是由于多孔石墨烯表面分布大量的孔洞，電解液中離子可以通過孔洞快速在整個電極中的擴散和傳輸并與金屬氧化物發(fā)生電化學反應，從而顯著提高了超級電容器的質(zhì)量和體積比容量。
【附圖說明】
[0037]圖1為多孔石墨烯/金屬氧化物納米復合材料的示意圖；
[0038]圖2為實施例1制備的多孔石墨烯的透射電鏡照片。
【具體實施方式】
[0039]下面將通過具體實施例對本發(fā)明做進一步的具體描述。
[0040]本發(fā)明提供的高密度多孔石墨烯/金屬氧化物納米復合電極材料中，如圖1所示，多孔石墨烯的表面分布有大量的孔洞，這種孔洞為電解液與金屬氧化物的充分接觸提供了保證，并且為電解液離子提供了快速擴散通道。這種多孔石墨烯可以用刻蝕劑刻蝕的方法制備得到，刻蝕劑可以選用氧氣、二氧化碳、氫氧化鉀、雙氧水、高錳酸鉀、硝酸等，優(yōu)選氫氧化鉀和雙氧水。
[0041