一種超級(jí)電容器電極材料用石墨烯的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了種超級(jí)電容器電極材料用石墨烯的制備方法。以鱗片石墨粉為原料，加入濃硫酸；再在0-10℃下分別加入強(qiáng)氧化劑過(guò)氧化鈉和硝酸鈉，攪拌2-3h；緩慢加入水再攪拌1-2h，控制溫度在80-95℃內(nèi)；離心、水洗、干燥后得到氧化石墨烯粉體；將氧化石墨烯粉體加入到還原劑溶液中，控制溫度在75-85℃，超聲波分散處理3-4h，冷卻、沉降、抽濾、洗滌、真空干燥后得到石墨烯。本發(fā)明制得的石墨烯在超級(jí)電容器中應(yīng)用具有更優(yōu)越的性能，在2A/g的電流密度下，材料的比電容達(dá)141F/g，并在不同電流密度下經(jīng)過(guò)300次循環(huán)后，比電容仍然保持在130F/g(2A/g),體現(xiàn)了良好的倍率及循環(huán)溫度性能。
【專利說(shuō)明】一種超級(jí)電容器電極材料用石墨烯的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種石墨烯材料的方法,尤其涉及一種超級(jí)電容器電極材料用石墨烯的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器(Supercapacitor)又稱電化學(xué)電容器(ElectrochemicalCapacitor)，是一種新型儲(chǔ)能裝置，因具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。隨著人類社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)，工業(yè)快速發(fā)展和人口急劇增加，社會(huì)對(duì)能源的需求也逐漸增加，，為了更有效的地使用二次能源需要新型的能源存儲(chǔ)器件，而在眾多的儲(chǔ)能器件中，超級(jí)電容器由于具有高的功率密度和優(yōu)異的循環(huán)性能而在世界范圍內(nèi)獲得廣泛關(guān)注。
[0003]石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化結(jié)合成的單原子層結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性強(qiáng)、理論比表面積大等獨(dú)特的性能，使其制備的石墨烯復(fù)合電極材料具有較高的能量密度，同時(shí)具有較小的內(nèi)阻，可實(shí)現(xiàn)高倍率充放電。目前石墨烯的制備方法包括微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)法和氧化石墨還原法等，其中機(jī)械剝離法制備工藝難度很大，設(shè)備要求過(guò)高且產(chǎn)量很低，不適宜工業(yè)生產(chǎn)；化學(xué)氣相沉積法和電化學(xué)法制備方法不穩(wěn)定，工藝難以控制，制得的石墨烯性能穩(wěn)定性差，且會(huì)導(dǎo)致電容器比容量下降及循環(huán)性能變差。如何改善超級(jí)電容器用石墨烯復(fù)合電極材料性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)石墨烯生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化，易于工業(yè)生產(chǎn)操作，成為石墨烯超級(jí)電容器應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了改進(jìn)超級(jí)電容器的電化學(xué)性能，簡(jiǎn)化電極材料用石墨烯的制備工藝，提供了一種適宜工業(yè)化生產(chǎn)的石墨烯的制備方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種超級(jí)電容器電極材料用石墨烯的制備方法，包括如下步驟:
[0006](I)氧化石墨烯制備:以鱗片石墨粉為原料，加入濃硫酸；再在0-10°C下分別加入強(qiáng)氧化劑過(guò)氧化鈉和硝酸鈉，攪拌2-3h ;緩慢加入水再攪拌l_2h，控制溫度在80-95°C內(nèi)；離心、水洗、干燥后得到氧化石墨烯粉體；
[0007](2)石墨烯制備:將氧化石墨烯粉體加入到還原劑溶液中，控制溫度在75_85°C，超聲波分散處理3-4h，冷卻、沉降、抽濾、洗滌、真空干燥后得到石墨烯。
[0008]步驟(I)中所述的鱗片石墨粉與濃硫酸的質(zhì)量比為1:70-110 ;鱗片石墨粉與過(guò)氧化鈉的質(zhì)量比為1:0.5 ;鱗片石墨粉與硝酸鈉的質(zhì)量比為1:0.5 ;鱗片石墨粉與水的質(zhì)量比為1:100-120 ;水洗溫度為50-60°C ;干燥溫度為O-1 (TC。
[0009]步驟(2)中所述的還原劑溶液按質(zhì)量比計(jì)由以下組分構(gòu)成:異抗壞血酸:葡萄糖:酒精溶液=5:1:150，其中，酒精溶液質(zhì)量濃度為80% ;所述的氧化石墨烯與還原劑溶液的質(zhì)量比為1:150-200。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0011]1.選用的原材料均為工業(yè)級(jí)或食品級(jí)，易獲取，操作簡(jiǎn)單、成本低，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，可以滿足超級(jí)電容器電極材料用石墨烯品質(zhì)要求。
[0012]2.采用氧化劑過(guò)氧化鈉和硝酸鈉，不會(huì)在石墨因氧化過(guò)程引入難分解或難分離雜質(zhì)，避免了因雜質(zhì)引入致使最終石墨烯性能不穩(wěn)定問(wèn)題。
[0013]3.氧化石墨烯還原常用還原劑水合肼、硼酸鈉等，雖然還原性強(qiáng)但是有毒，會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成影響，本工藝中選用還原劑均是無(wú)毒且對(duì)環(huán)境友好的試劑。
[0014]4.由此方法制得的石墨烯在超級(jí)電容器中應(yīng)用具有更優(yōu)越的性能，在2A/g的電流密度下，材料的比電容達(dá)141F/g，并在不同電流密度下經(jīng)過(guò)300次循環(huán)后，比電容仍然保持在130F/g(2A/g)，體現(xiàn)了良好的倍率及循環(huán)溫度性能。

【具體實(shí)施方式】
[0015]氧化石墨烯制備:
[0016]以鱗片石墨粉為原料(粒度大于400目，含碳量大于95% )，加入濃硫酸:1kg鱗片石墨粉加入濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)95% -98% )70-110kg;再在0-10°C下分別加入強(qiáng)氧化劑過(guò)氧化鈉和硝酸鈉，其加入量以Ikg鱗片石墨粉為基準(zhǔn)量分別加入過(guò)氧化鈉0.5kg和硝酸鈉0.5kg，攪拌2-3h ;以Ikg鱗片石墨粉為基準(zhǔn)量緩慢加入水100-120kg，溫度控制在80-95°C，攪拌l_2h ;7200轉(zhuǎn)離心0.5h以上，實(shí)現(xiàn)固液分離；50-60°C溫水水洗，洗后水PH大于6.5即可；0-10°C低溫干燥至含水量小于1%，然后過(guò)400目篩，篩下物即為氧化石墨烯粉體。
[0017]石墨烯制備:
[0018]還原劑溶液(即異抗壞血酸和葡萄糖的酒精溶液)配制:按照異抗壞血酸:葡萄糖:酒精溶液=5:1:150 (質(zhì)量比)，其中，異抗壞血酸為食品級(jí)，純度不小于99.8%，葡萄糖為工業(yè)品，含量大于99%，酒精溶液質(zhì)量濃度為80% ；
[0019]Ikg氧化石墨烯加入到150_200kg還原劑溶液中，溫度控制在80°C，超聲波分散處理3-4h。將反應(yīng)混合物冷卻、沉降、抽濾、去離子水洗滌、真空干燥后得到超級(jí)電容器電極材料用石墨烯。
[0020]實(shí)施例1
[0021]以鱗片石墨粉為原料(粒度大于400目，含碳量大于95%)，加入濃硫酸:1kg鱗片石墨粉加入濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)95% -98% )70kg;再在0-10°C下分別加入強(qiáng)氧化劑過(guò)氧化鈉和硝酸鈉，其加入量以Ikg鱗片石墨粉為基準(zhǔn)量分別加入過(guò)氧化鈉0.5kg和硝酸鈉0.5kg，攪拌2h ;以Ikg鱗片石墨粉為基準(zhǔn)量緩慢加入水100kg，溫度控制在80-95°C，攪拌Ih ；7200轉(zhuǎn)離心0.5h以上，實(shí)現(xiàn)固液分離；50-60°C溫水水洗，洗后水PH大于6.5即可；0-10°C低溫干燥至含水量小于1%，然后過(guò)400目篩，篩下物即為氧化石墨烯粉體。
[0022]還原劑溶液(即異抗壞血酸和葡萄糖的酒精溶液)配制:按照異抗壞血酸:葡萄糖:酒精溶液=5:1:150(質(zhì)量比)，其中，異抗壞血酸為食品級(jí)，純度不小于99.8%，葡萄糖為工業(yè)品，含量大于99%，酒精溶液質(zhì)量濃度為80% ；
[0023]Ikg氧化石墨烯加入到150kg還原劑溶液中，溫度控制在80°C，超聲波分散處理3h。將反應(yīng)混合物冷卻、沉降、抽濾、去離子水洗滌、真空干燥后得到超級(jí)電容器電極材料用石墨烯。
[0024]實(shí)施例2
[0025]以鱗片石墨粉為原料(粒度大于400目，含碳量大于95% )，加入濃硫酸:1kg鱗片石墨粉加入濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)95% -98% )110kg;再在0-10°C下分別加入強(qiáng)氧化劑過(guò)氧化鈉和硝酸鈉，其加入量以Ikg鱗片石墨粉為基準(zhǔn)量分別加入過(guò)氧化鈉0.5kg和硝酸鈉0.5kg，攪拌2h ;以Ikg鱗片石墨粉為基準(zhǔn)量緩慢加入水120kg，溫度控制在80-95°C，攪拌Ih ；7200轉(zhuǎn)離心0.5h以上，實(shí)現(xiàn)固液分離；50-60°C溫水水洗，洗后水PH大于6.5即可；0-10°C低溫干燥至含水量小于1%，然后過(guò)400目篩，篩下物即為氧化石墨烯粉體。
[0026]還原劑溶液(即異抗壞血酸和葡萄糖的酒精溶液)配制:按照異抗壞血酸:葡萄糖:酒精溶液=5:1:150 (質(zhì)量比)，其中，異抗壞血酸為食品級(jí)，純度不小于99.8%，葡萄糖為工業(yè)品，含量大于99%，酒精溶液質(zhì)量濃度為80% ；
[0027]Ikg氧化石墨烯加入到200kg還原劑溶液中，溫度控制在80°C，超聲波分散處理3h。將反應(yīng)混合物冷卻、沉降、抽濾、去離子水洗滌、真空干燥后得到超級(jí)電容器電極材料用石墨烯。
[0028]實(shí)施例3
[0029]以鱗片石墨粉為原料(粒度大于400目，含碳量大于95%)，加入濃硫酸:1kg鱗片石墨粉加入濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)95% -98% )90kg ;再在0-10°C下分別加入強(qiáng)氧化劑過(guò)氧化鈉和硝酸鈉，其加入量以Ikg鱗片石墨粉為基準(zhǔn)量分別加入過(guò)氧化鈉0.5kg和硝酸鈉0.5kg，攪拌2h ;以Ikg鱗片石墨粉為基準(zhǔn)量緩慢加入水110kg，溫度控制在80-95°C，攪拌Ih ；7200轉(zhuǎn)離心0.5h以上，實(shí)現(xiàn)固液分離；50-60°C溫水水洗，洗后水PH大于6.5即可；0-10°C低溫干燥至含水量小于1%，然后過(guò)400目篩，篩下物即為氧化石墨烯粉體。
[0030]還原劑溶液(即異抗壞血酸和葡萄糖的酒精溶液)配制:按照異抗壞血酸:葡萄糖:酒精溶液=5:1:150 (質(zhì)量比)，其中，異抗壞血酸為食品級(jí)，純度不小于99.8%,葡萄糖為工業(yè)品，含量大于99%，酒精溶液質(zhì)量濃度為80% ；
[0031]Ikg氧化石墨烯加入到180kg還原劑溶液中，溫度控制在80°C，超聲波分散處理3h。將反應(yīng)混合物冷卻、沉降、抽濾、去離子水洗滌、真空干燥后得到超級(jí)電容器電極材料用石墨烯。
[0032]將實(shí)施例2中石墨烯在超級(jí)電容器中應(yīng)用，在2A/g的電流密度下，材料的比電容達(dá)141F/g，并在不同電流密度下經(jīng)過(guò)300次循環(huán)后，比電容仍然保持在130F/g(2A/g)左右。
【權(quán)利要求】
1.一種超級(jí)電容器電極材料用石墨烯的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)氧化石墨烯制備:以鱗片石墨粉為原料，加入濃硫酸；再在o-1o°c下分別加入強(qiáng)氧化劑過(guò)氧化鈉和硝酸鈉，攪拌2-3h ;緩慢加入水再攪拌l_2h，控制溫度在80-95°C內(nèi)；離心、水洗、干燥后得到氧化石墨烯粉體； (2)石墨烯制備:將氧化石墨烯粉體加入到還原劑溶液中，控制溫度在75-85°C，超聲波分散處理3-4h，冷卻、沉降、抽濾、洗滌、真空干燥后得到石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器電極材料用石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟(I)中所述的鱗片石墨粉與濃硫酸的質(zhì)量比為1:70-110 ;鱗片石墨粉與過(guò)氧化鈉的質(zhì)量比為1:0.5 ;鱗片石墨粉與硝酸鈉的質(zhì)量比為1:0.5 ;鱗片石墨粉與水的質(zhì)量比為1:100-120 ;水洗溫度為50-60°C ;干燥溫度為0_10°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器電極材料用石墨烯的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述的還原劑溶液按質(zhì)量比計(jì)，由以下組分構(gòu)成，異抗壞血酸:葡萄糖:酒精溶液=5:1:150，其中，酒精溶液質(zhì)量濃度為80%;所述的氧化石墨烯與還原劑溶液的質(zhì)量比為1:150-200。
【文檔編號(hào)】H01G11/34GK104332325SQ201410617691
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】張優(yōu), 王利群, 翁建軍, 鐘誠(chéng) 申請(qǐng)人:江蘇銀基烯碳科技有限公司