石墨烯/碳組合物的制作方法
【專利說明】石墨燦/碳組合物
[0001]我們是居住在密歇根州英厄姆郡東蘭辛市的韓國公民Inhwan Do和居住在密歇根州英厄姆郡東蘭辛市的韓國公民Hyunjoong Kim，發(fā)明了新型且新穎的物質(zhì)組合物，其為
[0002]石墨烯/碳組合物。
[0003]下文為對其的說明書。
[0004]本申請要求2013年3月15日提交的序列號為61/786，735的美國臨時專利申請的優(yōu)先權。
[0005]發(fā)明背景
[0006]本發(fā)明涉及新型的物質(zhì)組合物。
[0007]本發(fā)明使用高表面積納米尺寸石墨烯與碳用于電容器。石墨烯/碳混合電極對于電化學電容器的性能增強表現(xiàn)出協(xié)同效應。兩種形式的活性炭均充當活性物質(zhì)，并且石墨稀充當活性物質(zhì)。
[0008]活性炭為商業(yè)電化學電容器中常用的材料。然而，它們不呈現(xiàn)對于需要高能量和功率密度的應用所必要的充足性能。這種性能缺乏是由于無規(guī)則互連的內(nèi)部微孔的非常寬的尺寸分布所引起的不良電導率和不良離子輸送。
[0009]石墨烯由于其高表面積、高力學和電學性質(zhì)、高度惰性表面性質(zhì)、低雜質(zhì)等而用于電化學電容器中。納米尺寸石墨烯主要由中孔和大孔構成，并且因此對于甚至是相當大的電解質(zhì)離子來說，納米尺寸石墨烯的表面區(qū)域也是可進入的。表面積為600m2/g的納米尺寸石墨稀顯示出勝過新型碳納米結構(例如具有與納米尺寸石墨稀相當?shù)谋砻娣e的單壁和雙壁碳納米管)的非常高的比電容。
[0010]通過用較低成本的石墨烯代替高成本的活性炭，石墨烯降低了電極成本，同時將能量儲存改進至少5至20%。石墨烯還充當離子迀移催化劑以提高能量和功率密度兩者。還降低了內(nèi)部電阻。
[0011]本發(fā)明的方法和材料不同于現(xiàn)有技術中所發(fā)現(xiàn)的任何方法和材料。直接要求在電極中一起使用炭黑和石墨烯的唯一參考文獻這樣做的目的僅是為了提高基于金屬的活性物質(zhì)的導電。沒有示出或建議所述活性物質(zhì)是用石墨烯增強的活性炭。
[0012]這樣的公開內(nèi)容可見于US 2012/0088156A中，其中該申請教導了用于制備電極的多步驟方法，包括將石墨烯氧化物添加至電極混合物，和將石墨烯氧化物還原為石墨烯。從屬權利要求之一包括添加小于I %的導電助劑，其可以是炭黑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]因此，在本文中公開并要求保護的一種實施方案是物質(zhì)組合物，其包含高表面積納米尺寸石墨與碳的組合。所述石墨為納米尺寸石墨烯納米管和納米尺寸石墨烯納米片，并且所述碳例如可以是活性炭、炭黑和碳納米纖維以及碳氣凝膠。
[0014]在本發(fā)明中還存在用于制造如上所述的組合物的方法。該制造方法包含將石墨烯分散在合適的溶劑中，將碳分散在合適的溶劑中，將產(chǎn)物組合并混合在一起以形成漿料，過濾所述漿料以提供片形式，干燥所述片，并將所述片壓延至所需的厚度和表面光潔度。
[0015]附圖簡要說明
[0016]圖1為用于在實施例1中制備的材料的電化學表征的恒電流充電/放電圖，具有以F/g(法拉第/克)計的重量電容對以A/g (安培/克)計的電流密度。
[0017]圖2為體積電容圖，具有以A/g計的電流密度對以F/cm3計的體積電容。
[0018]圖3為以Wh/kg計的重量能量對以A/g計的電流密度的圖。
[0019]圖4為以mWh/cm3計的體積能量對以A/g計的電流密度的圖。
[0020]圖5為以kW/kg計的重量功率對以A/g計的電流密度的圖。
[0021 ] 圖6為以W/cm3計的體積功率對以A/g計的電流密度的圖。
[0022]發(fā)明詳述
[0023]本發(fā)明涉及將石墨烯添加至活性炭中。適用于本文的碳具有介于10納米和100微米之間的平均尺寸和大于約300m2/g的BET表面積。石墨稀具有介于30納米和50微米之間的尺寸和大于約300m2/g的BET表面。此外，石墨烯具有介于約25和25，000之間的縱橫比。石墨烯與碳的比例介于0.5和10之間。
[0024]在圖1 至 6 中，I 表示 100% YP50F ；2 表示 90% YP50F 和 10% C750 ；3 表示 80%YP50F 和 20% C750 ；4 表示 70% YP50F 和 30% C750 ；5 表示 60% YP50F 和 40% C750 ；6 表示 50% YP50F 和 50% C750,重量比。
[0025]在圖7和8中，I表示100% xGnP Xg Sciences石墨??；2表示90%活性炭和10%xGnP ；3表示100% Kansai活性炭；并且4表示100% YP50F活性炭。
實施例
[0026]實施例1
[0027]使用商業(yè)活性炭(ACTIVATEDCARBON: YP-50F, 1500m2/g, Kurary ChemicalCompany)和納米尺寸石墨稀(C-750, 750m2/g, XG Sciences, Lans ing, Michigan)作為本實施例中的活性物質(zhì)。使用炭黑(Super C，Timcal)和PVDF分別作為導電劑和聚合物粘合劑。通過刮刀方法將由活性炭:納米尺寸石墨稀:Super-C:PVDF = 88:7:5的典型重量比構成的糊料涂覆在鋁箔上。在O?2.5V的范圍內(nèi)在IMTEABf4/乙腈電解質(zhì)中進行用于電化學表征的恒電流充電/放電。
[0028]雖然在低電流密度(< A/g)下沒有顯示出對于納米尺寸石墨烯與活性炭的混合的協(xié)同效應，但是在高電流密度(> lA/g)下納米尺寸石墨稀/活性炭電極的電容增加超過僅有活性炭的電極。添加30%至40%的納米尺寸石墨烯對于實現(xiàn)最佳的協(xié)同效應似乎是優(yōu)化的。參見圖1和2。
[0029]比較了能量密度。重量能量密度隨電流密度變化的行為與電容類似。然而，不論電流密度，納米尺寸石墨烯/活性炭電極的體積能量密度高于活性炭電極的體積能量密度。
[0030]比較了功率密度。由于納米尺寸石墨烯優(yōu)異的導電性，不論電流密度和納米尺寸石墨烯含量，納米尺寸石墨烯/活性炭電極的重量和體積功率(powder)密度均增加。還參見圖3和4。
[0031]實施例2
[0032]使用兩種商業(yè)活性炭作為活性組分:YP_50F (1500m2/g, Kuraray ChemicalCompany)和 MSP-20 (2200m2/g, Kansai Chemical Company)。使用納米尺寸石墨稀(C-750, 750m2/g)和多壁碳納米管(230m2/g, Hanwha Nanotech)分別作為另一種活性物質(zhì)和粘合劑。使用浴型超聲處理器在異丙醇中分散活性炭或者活性炭/納米尺寸石墨烯60分鐘，并且還在異丙醇中單獨地超聲處理碳納米管I小時。將經(jīng)分散的活性炭和碳納米管溶液組合，隨后超聲處理另外60分鐘。然后，使用膜過濾系統(tǒng)過濾該活性炭-碳納米管和活性炭/納米尺寸石墨烯-碳納米管分散液(墨水)。在80°C下于真空下干燥2小時后，將活性炭-碳納米管和活性炭/納米尺寸石墨稀-碳納米管獨立紙壓延在Ni泡沫上。在IM TEABF4/乙腈電解質(zhì)中完成對具有兩個相同活性炭-碳納米管電極的2016硬幣型電池的電化學測試。
[0033]顯示出活性炭/納米尺寸石墨烯-碳納米管電極的比電容和能量密度比活性炭-碳納米管電極高，這確認了作為用于電化學電容器的共活性物質(zhì)的活性炭-納米尺寸石墨稀的混合的協(xié)同效應。參見圖5和6。
【主權項】
1.物質(zhì)組合物，包含高表面積納米尺寸石墨與碳的組合，其中所述納米尺寸石墨選自由納米尺寸石墨烯納米管和納米尺寸石墨烯納米片構成的組。2.如權利要求1所述的物質(zhì)組合物，其中所述碳選自主要由以下構成的組: a.活性炭； b.炭黑，和 c.碳納米纖維，和 d.碳氣凝膠。3.制造如權利要求3所述的組合物的方法，所述方法包含: i.將石墨烯分散在合適的溶劑中； ii.將碳分散在合適的溶劑中； iii.將i和ii的產(chǎn)物組合并混合以形成漿料； iv.過濾所述漿料以提供片形式； V.干燥在iv中形成的片； vi.壓延所述片至所需的厚度和表面光潔度。
【專利摘要】高表面積納米尺寸石墨烯與碳的組合物。
【IPC分類】H01G4/008, H01M4/04, H01M4/583, C01B31/00
【公開號】CN105122520
【申請?zhí)枴緾N201480022773
【發(fā)明人】I·杜, 金炫中
【申請人】I·杜, 金炫中
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2014年3月13日
【公告號】US20140299818, WO2014151372A1