石墨稀層111再層疊。
[0074]間隔物可以由碳材料形成從而防止石墨烯層111再層疊，并防止陽(yáng)極110和150的電導(dǎo)率劣化。作為間隔物用碳材料，可以使用碳納米管(CNT)、碳納米纖維(CNF)和炭黑。這是由于上述碳材料是具有高電導(dǎo)率的材料，因而即使插入在石墨烯層之間也可用作間隔物而不會(huì)使電導(dǎo)率劣化。進(jìn)一步，上述碳材料具有比表面積，因而在以下方面是有利的:碳材料可有助于增大陽(yáng)極110和150的比表面積。
[0075]陽(yáng)極110和150可以通過(guò)采用物理化學(xué)方法來(lái)額外引入孔的活化工藝形成，該孔可以包括石墨烯材料110的比表面積。
[0076]該活化工藝是指通過(guò)形成材料的孔來(lái)增大比表面積的工藝，其用來(lái)制備活性炭。在本發(fā)明中，陽(yáng)極110和150的比表面積可以通過(guò)選擇性采用石墨烯材料110來(lái)增大。
[0077]物理方法通過(guò)將石墨烯材料110暴露在氧、二氧化碳或蒸汽中來(lái)在石墨烯材料110中形成孔?；瘜W(xué)方法引起與酸、堿和金屬鹽的任一者的化學(xué)反應(yīng)。作為酸、堿和金屬鹽，可以使用 H3P04、K0H、Na0H、K2C03、Na2C03、ZnCl2、AlCl3和 MgCl 2等。
[0078]額外的孔可以通過(guò)上述物理方法或化學(xué)方法在石墨烯材料的表面形成，并且石墨烯材料110的比表面積可以由此增大。
[0079]陽(yáng)極110和150可通過(guò)使用異質(zhì)材料摻雜石墨烯材料110而形成，以改善與離解進(jìn)入電解質(zhì)中的離子的反應(yīng)性。異質(zhì)材料可以是由例如氮(N)、硫(S)、氧(0)、硅(Si)和硼(B)組成的組，并且可以將選自該組中的至少一種元素?fù)诫s在石墨烯材料110中。當(dāng)石墨烯材料110中摻雜了異質(zhì)材料時(shí)，可以改變石墨烯材料110的電學(xué)特性和反應(yīng)性，并由此增大與電解質(zhì)中的離子的反應(yīng)性，并且可以增大陽(yáng)極110和150的電容。
[0080]陽(yáng)極110和150可以由其中石墨烯材料110與異質(zhì)材料混合的復(fù)合材料形成，以由于與離解進(jìn)入電解質(zhì)中的離子的氧化還原反應(yīng)而改善比電容。異質(zhì)材料可以是由金屬、氧化物、硫化物、氮化物、MPO4 (此處M為過(guò)渡金屬)和硫?qū)僭夭牧辖M成的組，并且選自該組中的至少一種材料可以與石墨烯材料110混合。
[0081]異質(zhì)材料通過(guò)使用與電解質(zhì)中的離子的氧化還原反應(yīng)原理而積聚電力，并通過(guò)使用該原理表達(dá)的電極(陽(yáng)極I1和150、陰極120和160)的電容稱為準(zhǔn)電容。由于離子至/自材料表面的吸附/脫附的表面反應(yīng)，通常準(zhǔn)電容比電容高數(shù)倍?數(shù)十倍。因此，當(dāng)陽(yáng)極110和150由其中石墨烯材料110與氮化物混合的復(fù)合材料形成時(shí)，可以確保相對(duì)較高的比電容。
[0082]陰極120和160的預(yù)摻雜方法還可以原樣應(yīng)用于陽(yáng)極110和150。在本發(fā)明中，除了陰極120和160的預(yù)摻雜，陽(yáng)極110和150的預(yù)摻雜可以通過(guò)下述方法實(shí)施:使用鋰離子預(yù)摻雜陽(yáng)極110和150，并在電容器100的充電過(guò)程中將陽(yáng)極110和150中的預(yù)摻雜鋰離子從陽(yáng)極110和150輸送至陰極120和160。因此，對(duì)陰極120和160預(yù)摻雜的電化學(xué)、物理和化學(xué)方法還可以應(yīng)用于陽(yáng)極110和150的預(yù)摻雜。
[0083]陽(yáng)極110和150以及陰極120和160的至少一個(gè)可以包含粘合劑(未示出)和導(dǎo)電材料(未示出)。
[0084]粘合劑形成為使石墨烯層彼此附著。導(dǎo)電材料形成為限制由于添加粘合劑所致的電導(dǎo)率損失。作為粘合劑，可以使用聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)和苯乙烯-丁二烯(SBR)等。另外，作為導(dǎo)電材料，可以使用炭黑和氣相生長(zhǎng)的碳纖維(VGCF)等。
[0085]存在多種通過(guò)混合粘合劑與導(dǎo)電材料來(lái)形成陽(yáng)極110和150或者陰極120和160的方法，不過(guò)在本文中僅描述兩種方法。
[0086]第一種方法是通過(guò)以漿體形式混合石墨烯材料110和120、粘合劑和導(dǎo)電材料，并使用該漿體涂布集電體而形成陽(yáng)極110和150或陰極120和160。
[0087]第二種方法是通過(guò)混合石墨烯材料110和120、粘合劑和導(dǎo)電材料形成膏狀捏合片并將該膏狀捏合片附著至集電體而形成陽(yáng)極HO和150或陰極120和160。形成膏狀捏合片的方法還可以用于制備厚度為100 μπι以上的厚電極(陽(yáng)極和/或陰極)的情況。
[0088]優(yōu)選的是，陽(yáng)極110和150以及陰極120和160的重量比具有0.5?5的數(shù)值范圍。石墨烯鋰離子電容器100中電池的能量密度可依賴于陽(yáng)極110和150與陰極120和160的重量比而改變，并且為了最佳性能，電池需要被設(shè)計(jì)為使陽(yáng)極110和150與陰極120和160的重量比具有0.5?5的數(shù)值范圍。
[0089]電解質(zhì)可以通過(guò)將鋰鹽溶解在有機(jī)溶劑中或?qū)圎}溶解在離子液體中而形成。
[0090]鋰鹽可以是LiPF6。有機(jī)溶劑可以是碳酸亞乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)。電解質(zhì)可以通過(guò)將LiPFf^解在如EC、DEC和DMC等有機(jī)溶劑中而形成。
[0091]由于常規(guī)有機(jī)溶劑在4V以上的高電壓下分解，因而電池的電壓不能增大至4V以上，不過(guò)由于離子液體即使在4V以上的高電壓下也是穩(wěn)定的，因而電池的電壓可以增大至4V以上。另外，當(dāng)電池的電壓增大時(shí)，存在電池的能量密度增大的優(yōu)勢(shì)。
[0092]圖2是圖示了圖1所示的石墨烯鋰離子電容器100在預(yù)摻雜鋰離子131后的狀態(tài)的概念圖。
[0093]圖1圖示了陰極120和160在預(yù)摻雜之前的狀態(tài)，且圖2圖示了陰極120和160在預(yù)摻雜之后的狀態(tài)。如圖1所示，當(dāng)鋰犧牲電極130與陰極120和160的集電體160電連接，并向其外部施加電能時(shí)，鋰離子131從鋰犧牲電極130離解出。
[0094]參見圖2，鋰離子131吸附在由石墨烯層121的多層結(jié)構(gòu)形成的陰極120和160的表面上，并插入在石墨烯層121之間。特別地，與單層石墨烯材料相比，陰極120和160的多層結(jié)構(gòu)與更多的鋰離子131結(jié)合，從而使電容器100的電容可以增大。
[0095]負(fù)離子115吸附至陽(yáng)極110和150上。參見圖2，陽(yáng)極110和150以折皺形式形成以防止再層疊，而且負(fù)離子115吸附在石墨烯材料的表面上。
[0096]石墨烯鋰離子131電容器100以圖2所示的狀態(tài)重復(fù)充電和放電。當(dāng)電池完全充電時(shí)，電解質(zhì)中的負(fù)離子115吸附在陽(yáng)極110和150的石墨烯層111的表面上，并且鋰離子131插入在陰極120和160的石墨稀材料120的表面和石墨稀層121之間。相反地，當(dāng)電池完全放電時(shí)，負(fù)離子115和鋰離子131分別與陽(yáng)極110和150以及陰極120和160分離。
[0097]石墨烯鋰離子131電容器100的充電和放電是負(fù)離子115和鋰離子131與陽(yáng)極110和150以及陰極120和160結(jié)合、或從陽(yáng)極110和150以及陰極120和160脫附的過(guò)程的重復(fù)。
[0098]在本發(fā)明中，具有通過(guò)層疊石墨烯層121而形成的多層結(jié)構(gòu)的陰極120和160可以改善電容器100的輸出特性。具有多層結(jié)構(gòu)的石墨烯材料120通過(guò)大的比表面積而充足地包含可與鋰離子131反應(yīng)的反應(yīng)位點(diǎn)。另外，當(dāng)鋰離子131插入石墨烯層121中、或從石墨烯層121脫附時(shí)，可以改善陰極120和160的輸出特性，這是因?yàn)殇囯x子的擴(kuò)散距離與現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)的距離相比可以縮短。
[0099]通過(guò)甚至對(duì)陽(yáng)極110和150應(yīng)用石墨烯材料110，本發(fā)明可以提供能量密度與現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)相比改善的電容器100。石墨烯材料110的理論比表面積為2.675m2/g，當(dāng)利用該理論比表面積時(shí)，理論上可以實(shí)施550F/g以上的電雙層比電容。因此，當(dāng)在陽(yáng)極110和150中使用石墨烯材料時(shí)，可以理論上提供具有500F/g以上的高比電容特性的電容器100。
[0100]下面將參照?qǐng)D進(jìn)行說(shuō)明，從而使本發(fā)明的效果得到目視確認(rèn)。
[0101]圖3是可確認(rèn)本發(fā)明提出的石墨烯鋰離子電容器的性能的電容量-電極電勢(shì)圖。
[0102]電容器以下述狀態(tài)存在，其中由于在充電前陽(yáng)極和陰極之間電勢(shì)差導(dǎo)致存在電容器下限電壓的電勢(shì)差，當(dāng)充電開始時(shí)，陽(yáng)極的電勢(shì)開始增大且陰極的電勢(shì)開始減小。
[0103]陽(yáng)極的電勢(shì)相對(duì)線性地增大。當(dāng)電容器完成充電并進(jìn)行放電時(shí)，陽(yáng)極的電勢(shì)再次線性減小，并返回充電開始前的電勢(shì)。
[0104]陰極的電勢(shì)由于用鋰離子預(yù)摻雜而在相對(duì)初始的階段急劇減小，并且減小的寬度逐漸降低。當(dāng)與陰極的電勢(shì)線性減小的情況相比時(shí)，能夠確定可以保證相對(duì)較大的電容。
[0105]在充電完成的狀態(tài)中，陽(yáng)極和陰極之間的電勢(shì)差表示電池的額定電壓，并且額定電壓隨電勢(shì)差的