一種絮狀二氧化錳/石墨烯復(fù)合電極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及復(fù)合電極材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代社會(huì)中經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的飛速發(fā)展為人們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也引發(fā)了能源短缺、環(huán)境惡化等一系列問(wèn)題，因此，需要研發(fā)一種潔凈無(wú)污染、工作效率高的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)以取代傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。在眾多新型儲(chǔ)能系統(tǒng)中，超級(jí)電容器憑借其大功率密度、高工作效率、長(zhǎng)久使用壽命以及輕污染等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)儲(chǔ)能原理，超級(jí)電容器可以分為雙電層電容器和法拉第電容器。其中，雙電層電容器的電極材料，主要為一些碳材料，比如活性炭、碳納米管、石墨烯等。其特點(diǎn)在于優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的循環(huán)穩(wěn)定性，但是存在著比電容值較低的問(wèn)題。而法拉第電容器的電極材料主要采用過(guò)渡族金屬氧化物，比如氧化鎳(N1)、氧化錳(MnOx)、氧化鈷(CoOx)等，比電容一般較高，但存在穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。鑒于上述兩種電容器的各自的優(yōu)缺點(diǎn)，我們常常在雙電層電容器基礎(chǔ)上引入法拉第電容器，結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，制備高性能超級(jí)電容器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決現(xiàn)有石墨烯材料作為超級(jí)電容器電極材料，其理論極限帶來(lái)的比電容值的限制，從而限制超級(jí)電容器比電容值的大幅提高十分困難的問(wèn)題，而提供一種絮狀二氧化錳/石墨烯復(fù)合電極材料的制備方法。
[0004]—種絮狀二氧化錳/石墨烯復(fù)合電極材料的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0005]—、將集電極材料置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，在溫度為300°C?800 °C、壓強(qiáng)為200Pa?900Pa、射頻功率為75W?225W、氬氣的氣體流量為40sccm?120sccm及甲燒的氣體流量為5sccm?50sccm的條件下，沉積時(shí)間為5min?60min，得到沉積石墨烯的集電極材料；
[0006]二、以沉積石墨烯的集電極材料為工作電極、鉑片為對(duì)電極及飽和甘汞電極為參比電極，將沉積石墨烯的集電極材料工作電極、鉑片對(duì)電極及飽和甘汞電極參比電極置于電解液中，設(shè)定工作電壓區(qū)間為-0.3V?0.3V，電壓掃描速率為2mV/s?500mV/s，循環(huán)伏安的次數(shù)為5次?100次，得到循環(huán)伏安后的集電極材料；
[0007]所述的電解液為濃度為0.01摩爾/升?I摩爾/升的醋酸錳水溶液；
[0008]三、沉積結(jié)束后，將循環(huán)伏安后的集電極材料用去離子水清洗，然后在溫度為100°C?300°C條件下烘干，即得到絮狀二氧化錳/石墨烯復(fù)合電極材料。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
[0010]1、石墨烯具有大面積的共軛區(qū)域，可作為與其他物質(zhì)相互作用的結(jié)合位點(diǎn)，本身易于與其他物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，本發(fā)明通過(guò)電化學(xué)沉積的方法在垂直生長(zhǎng)的石墨烯上制備絮狀結(jié)構(gòu)的二氧化錳，在雙電層電容器的基礎(chǔ)上引入了贗電容儲(chǔ)能行為，有利于提高電極材料的比電容值和能量密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
[0011]2、垂直生長(zhǎng)石墨烯具有高度疏水性，而二氧化錳具有極佳的親水性，因此，通過(guò)復(fù)合二氧化錳可以極大的改善電極材料的潤(rùn)濕性，使得電解液可以在復(fù)合材料表面充分潤(rùn)濕，不僅為雙電層的形成提供了更多場(chǎng)所，也可利用石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性使電子實(shí)現(xiàn)在電極材料中的快速迀移。
[0012]3、本發(fā)明中絮狀二氧化錳的大量片狀突起使電極表面形成疏松多孔結(jié)構(gòu)，增大了材料的比表面積，有利于電解液與電極材料的充分接觸，不僅為電極材料表面的電荷積累形成雙電層提供了更多的場(chǎng)所，也使更多的二氧化錳參與贗電容儲(chǔ)能行為中，有利于提高復(fù)合電極材料的比電容值和能量密度。
[0013]4、采用原位垂直生長(zhǎng)石墨烯作為支撐體，不僅優(yōu)化了電荷傳導(dǎo)路徑，有效地降低了復(fù)合電極的內(nèi)阻及與集電極的接觸電阻，同時(shí)也顯著地改善了二氧化錳基復(fù)合電極的循環(huán)穩(wěn)定性。
[0014]5、本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，高效，低成本，便于工業(yè)化生產(chǎn)，制備得到復(fù)合電極材料的質(zhì)量高，直接用作集電極使用，提高了贗電容的整體性能，其比電容在2mV/s掃速條件下高達(dá)5540 μ F/cm2，復(fù)合電極材料的等效串聯(lián)電阻約為1.5Ω。同時(shí)復(fù)合電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異，經(jīng)過(guò)1500次后電容值保留為原來(lái)的110%，在超級(jí)電容器電極材料方面具有良好的應(yīng)用前景。
[0015]本發(fā)明用于一種絮狀二氧化錳/石墨烯復(fù)合電極材料的制備方法。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為實(shí)施例制備的絮狀二氧化錳/石墨烯復(fù)合電極材料的掃描電鏡圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0018]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式所述的一種絮狀二氧化錳/石墨烯復(fù)合電極材料的制備方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0019]—、將集電極材料置于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積真空裝置中，在溫度為300°C?800 °C、壓強(qiáng)為200Pa?900Pa、射頻功率為75W?225W、氬氣的氣體流量為40sccm?120sccm及甲燒的氣體流量為5sccm?50sccm的條件下，沉積時(shí)間為5min?60min，得到沉積石墨烯的集電極材料；
[0020]二、以沉積石墨烯的集電極材料為工作電極、鉑片為對(duì)電極及飽和甘汞電極為參比電極，將沉積石墨烯的集電極材料工作電極、鉑片對(duì)電極及飽和甘汞電極參比電極置于電解液中，設(shè)定工作電壓區(qū)間為-0.3V?0.3V，電壓掃描速率為2mV/s?500mV/s，循環(huán)伏安的次數(shù)為5次?100次，得到循環(huán)伏安后的集電極材料；
[0021 ] 所述的電解液為濃度為0.01摩爾/升?I摩爾/升的醋酸錳水溶液；
[0022]三、沉積結(jié)束后，將循環(huán)伏安后的集電極材料用去離子水清洗，然后在溫度為100°C?300°C條件下烘干，即得到絮狀二氧化錳/石墨烯復(fù)合電極材料。
[0023]本實(shí)施方式的有益效果是:
[0024]1、石墨烯具有大面積的共軛區(qū)域，可作為與其他物質(zhì)相互作用的結(jié)合位點(diǎn)，本身易于與其他物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，本實(shí)施方式通過(guò)電化學(xué)沉積的方法在垂直生長(zhǎng)的石墨烯上制備絮狀結(jié)構(gòu)的二氧化錳，在雙電層電容器的基礎(chǔ)上引入了贗電容儲(chǔ)能行為，有利于提高電極材料的比電容值和能量密度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
[0025]2、垂直生長(zhǎng)石墨烯具有高度疏水性，而二氧化錳具有極佳的親水性，因此，通過(guò)復(fù)合二氧化錳可以極大的改善電極材料的潤(rùn)濕性，使得電解液可以在復(fù)合材料表面充分潤(rùn)濕，不僅為雙電層的形成提供了更多場(chǎng)所，也可利用石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性使電子實(shí)現(xiàn)在電極材料中的快速迀移。
[0026]3、本實(shí)施方式中絮狀二氧化錳的大量片狀突起使電極表面形成疏松多孔結(jié)構(gòu)，增大了材料的比表面積，有利于電解液與電極材料的充分接觸，不僅為電極材料表面的電荷積累形成雙電層提供了更多的場(chǎng)所，也使更多的二氧化錳參與贗電容儲(chǔ)能行為中，有利于提高復(fù)合電極材料的比電容值和能量密度。
[0027]4、采用原位垂直生長(zhǎng)石墨烯作為支撐體，不僅優(yōu)化了電荷傳導(dǎo)路徑，有效地降低了復(fù)合電極的內(nèi)阻及與集電極的接觸電阻，同時(shí)也顯著地改善了二氧化錳基復(fù)合電極的循環(huán)穩(wěn)定性。
[0028]5、本實(shí)施方式的方法簡(jiǎn)單，高效，低成本，便于工業(yè)化生產(chǎn)，制備得到復(fù)合電極材料的質(zhì)量高，直接用作集電極使用，提高了贗電容的整體性能，其比電容在2mV/s掃速條件下高達(dá)5540 μ F/cm2,復(fù)合電極材料的等效串聯(lián)電阻約為1.5 Ω。同時(shí)復(fù)合電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異，經(jīng)過(guò)1500次后電容值保留為原來(lái)的110%，在超級(jí)電容器電極材料方面具有良好的應(yīng)用前景。
[0029]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:步驟一中所述的集電極材料為金屬鎳、銅、鋁、鐵、金、鉑、泡沫鎳、碳纖維布或石墨紙。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二之一不同的是:步驟一中溫度為500°C?700°C。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三