本發(fā)明涉及一種電極，特別涉及一種石墨烯改性活性炭在制備超級電容器電極中的應用。

(二)

背景技術：

超級電容器是一種新型的電化學儲能裝置，由于它是根據(jù)電化學原理設計，所以又稱為電化學超級電容器。其具有充放電速率快、高功率密度、充放電壽命長、經濟環(huán)保等優(yōu)點，在如今生活中有著越來越重要，越來越廣泛的用途。其中有機系超級電容器有更大的充放電電壓窗口，能顯著提高器件的能量密度，固受到越來越多的人重視。

在如今眾多的超級電容器電極材料中，炭材料由于其具有高比表面積、高循環(huán)壽命、高機械性能、低成本等優(yōu)點，成為如今研究的熱門材料。炭材料如活性炭、碳納米管、石墨烯等已廣泛的應用于鋰離子電池電極材料的制備中。

活性炭是超級電容器使用最多的電極材料，其具有高比表面積、原料豐富等優(yōu)點。然而由于在活性炭材料制備中的過度活化，雖然可以大幅度提高比表面積，但同時會降低材料的密度與導電性能，這樣嚴重的影響了其電化學性能。因此，無論它的原料來源如何變化，制備工藝如何改進，利用傳統(tǒng)活性炭材料制備的超級電容器的性能已經無法獲得很大的突破。

如今，石墨烯這種二維炭材料自2004年被報道以來，得到了人們的普遍關注。石墨烯的獨特結構賦予它高電導率、高機械性能、高比表面積的優(yōu)點。因此，石墨烯基材料被廣泛的應用于超電容器電極材料的研究中。但是石墨烯昂貴的價格阻礙了其在商業(yè)超級電容器中的應用。

因此，如何克服現(xiàn)有技術的不足已成為電極材料制備技術領域亟待解決的難題。

(三)

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種石墨烯改性活性炭在制備超級電容器電極中的應用，用本發(fā)明石墨烯改性活性炭制備有機系對稱雙電機超級電器，其在4A/g的電流密度下的比容量可達到22.32F/g，高于單純的商業(yè)活性炭材料(12.5F/g)，解決現(xiàn)有商業(yè)活性炭利用有機系電解液時電化學性能較差的問題。

本發(fā)明采用的技術方案是：

本發(fā)明提供一種石墨烯改性活性炭，所述石墨烯改性活性炭按如下方法制備：將活性炭浸漬于氧化石墨烯去離子水分散液中，室溫攪拌混勻，烘干，獲得石墨烯改性活性炭；所述活性炭與氧化石墨烯質量比為1:1-100。

進一步，所述活性炭為果殼活性炭、木質活性炭、秸稈活性炭和竹制活性炭中的一種或幾種任意比例的混合，更優(yōu)選竹制活性炭，最優(yōu)選竹質活性炭為超級電容器活性炭；本發(fā)明方法適用于各種活性炭。

進一步，所述活性炭與氧化石墨烯質量比為1:10-80。

進一步，所述氧化石墨烯水分散液中氧化石墨烯濃度為0.1-10g/L。

進一步，所述攪拌時間為0.5-10h。

進一步，所述烘干溫度為60-100℃。

本發(fā)明還提供一種所述石墨烯改性活性炭在制備超級電容器電極中的應用，具體所述應用方法是以石墨烯改性活性炭為電極活性物質，按照電極活性物質:乙炔黑：PTFE＝8：1：1(質量比)的比例混合均勻，成糊狀。將其搟壓成大約200μm厚度的薄片。將薄片裁剪成面積為25mm²的大小，以40MPa的壓力壓到直徑12mm的圓形不銹鋼網上，保證每片鋼網上的物質重量大致相同，即制備成超級電容器電極。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有益效果主要體現(xiàn)在：本發(fā)明通過簡單的方法在活性炭原料中引用少量氧化石墨烯。其中材料中的氧化石墨烯可在有機系超級電容器的較大電壓窗口的充放電過程中同步電化學還原為導電性較好的石墨烯，并與活性炭顆粒共同形成導電性良好三維結構多孔材料。首先，良好導電性的石墨烯二維層可為活性炭顆粒間提供良好的導電橋梁，克服了傳統(tǒng)超級電容器活性炭顆粒間導電性較差的問題。其次，二維石墨烯材料與零位的活性炭材料之間的結合，可形成較多的孔洞結構，可方便電解液離子在電極中的傳遞，解決了原有材料離子傳遞電阻較大的問題。再其次，本發(fā)明采用電化學還原氧化石墨烯的方法，其與傳統(tǒng)的化學法與高溫熱還原法相比更加綠色、節(jié)能。最后，由于電化學還原氧化石墨烯的過程可與電容器器件的充放電過程同時進行，從而省略了傳統(tǒng)的在材料制備中對氧化石墨烯的還原步驟，這樣再簡化制備流程，可大幅度降低材料制備成本。用本發(fā)明石墨烯改性活性炭制備有機系對稱雙電機超級電器，其在4A/g的電流密度下的比容量可達到22.32F/g，高于單純的商業(yè)活性炭材料(12.5F/g)。

(四)附圖說明

圖1為本發(fā)明實例2制備的石墨烯改性活性炭透射電鏡圖。

圖2為實施例1-4制備的石墨烯改性活性炭XRD圖，a為對比例1產物，b為實施例4產物，c為實施例3產物，d為實施例2產物，e為實施例1產物，f為氧化石墨烯。

(五)具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明進行進一步描述，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于此：

本發(fā)明實施例所用超級電容器活性炭購自富來森控股集團，型號為FCO-20A，其的比表面積為1761m²/g，水分率為0.28wt％，灰分率為0.1wt％，振實密度為0.46g/cm³。

氧化石墨烯參考Bong Gill Choi,HoSeok Park,Tae Jung Park,Min Ho Yang,Joon Sung Kim,Sung-Yeon Jang,Nam Su Heo,Sang Yup Lee,Jing Kong,and Won Hi Hong,Nano.2010,4,2910–2918.制備。本發(fā)明實施例所述室溫為25℃。

實施例1石墨烯改性活性炭

將0.7g超級電容器活性炭加入20mL、0.45g/L的氧化石墨烯水分散液中，室溫攪拌混合2h，再在60℃下烘干2天去除分散液中的水分，得到石墨烯改性活性炭0.7g。其中活性炭與氧化石墨烯的質量比為77.77:1。石墨烯改性活性炭的XRD圖見圖2所示，表明石墨烯與活性炭成功復合。

石墨烯改性活性炭在有機系電解液中進行性能檢測，質量比容量見表1。

電極的制備與測試器件組裝：

將石墨烯改性活性炭作為電極活性物質，按照活性物質:乙炔黑：PTFE＝8：1：1(質量比)的比例混合均勻，成糊狀。將其搟壓成大約200μm厚度的薄片。將薄片裁剪成面積為25mm²的大小，以40MPa的壓力壓到直徑12mm的圓形不銹鋼網上，保證每片鋼網上的物質重量大致相同，即制備成測試電極。

取兩片上述所制備的測試電極，以Whataman公司生產玻璃纖維紙為隔膜，1M的四乙基四氟硼酸銨的碳酸丙稀酯溶液為電解液，在氬氣手套箱中，以對稱雙電極超級電容器的結構裝入模擬電池模具中組成器件，用于測試，主要進行恒流充放電測試，電壓窗口為0-2.6V，分別在電流密度為3A/g、4A/g、6A/g的條件下進行測試。

實施例2石墨烯改性活性炭

將0.7g超級電容器活性炭加入20mL、0.9g/L氧化石墨烯水分散液中，室溫攪拌混合2h，再在60℃下烘干2天，去除分散液中水分，獲得石墨烯改性活性炭0.7g。其中超級電容器活性炭與氧化石墨烯的質量比為38.89:1。石墨烯改性活性炭投射電鏡圖如圖1所示，可以看到石墨烯與活性碳的復合形態(tài)。石墨烯改性活性炭的XRD圖見圖2所示，表明石墨烯與活性炭成功復合。石墨烯改性活性炭質量比容量見表1。

實施例3石墨烯改性活性炭

將0.7g超級電容器活性炭加入20mL、1.8g/L氧化石墨烯水分散液中，室溫攪拌混合2h，再在60℃下烘干2天，去除分散液中水分，得到石墨烯改性活性炭0.7g。其中超級電容器活性炭與氧化石墨烯的質量比為19.44:1。石墨烯改性活性炭的XRD圖見圖2所示，表明石墨烯與活性炭成功復合。石墨烯改性活性炭質量比容量見表1。

實施例4石墨烯改性活性炭

將0.7g超級電容器活性炭加入20mL、3.6g/L氧化石墨烯水分散液中，室溫攪拌混合2h，再在60℃下烘干處理2天，去除分散液中水分，得到石墨烯改性活性炭0.75g。其中超級電容器活性炭與氧化石墨烯的質量比為9.72:1。石墨烯改性活性炭的XRD圖見圖2所示，表明石墨烯與活性炭成功復合。石墨烯改性活性炭質量比容量見表1。

對比例1：

將實施例1中氧化石墨烯去除，直接測試活性炭質量比容量，結果見表1。

對比例2：

將0.7g超級電容器活性炭加入20mL、0.9g/L的氧化石墨烯水分散液中，室溫攪拌混合2h，再在60℃下烘干2天，去除分散液中的水分，得到石墨烯改性活性炭前驅體。其中超級電容器活性炭與氧化石墨烯的質量比為38.89:1。將上述得到的石墨烯改性活性炭前驅體放于高壓反應釜(25mL水熱反應釜，購自濟南恒化科技有限公司)中，加入2ml水合肼，于85℃反應12h，60℃真空干燥12h，得到石墨烯復合活性炭0.7g。質量比容量見表1。

表1實施例1-4與對比例1-2的測試參數(shù)及其產品性能檢測數(shù)據(jù)

從上述實施例中可以看出，在有機系電解液中，電壓窗口為0-2.6V恒流充放電測試下，石墨烯改性活性碳，與未改性的活性碳材料或利用化學法還原石墨烯后再與活性炭復合材料(對比例2)在大電流充放電的條件下相比，質量比容量有顯著提升。