本發(fā)明涉及超級電容器電極材料，具體涉及一種三維石墨烯復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用、超級電容器。

背景技術(shù)：

1、隨著能源使用量急劇增加，對儲能裝置的容量和充放電速率提出更苛刻的要求。超級電容器是一種介于儲能電池與電容器之間的儲能裝置，兼具良好的能量密度和優(yōu)異的功率密度，由其衍生的儲能裝置已在部分儲能領(lǐng)域得到應(yīng)用，有望在未來替代傳統(tǒng)電池成為新一代動力源。然而，受限于超級電容器電極材料的比容量，超級電容器的能量密度仍有提升空間。因此，將電極材料的電化學(xué)反應(yīng)控制在理想狀態(tài)是進(jìn)一步提升超級電容器性能的關(guān)鍵。

2、多孔碳材料已在超級電容器中得到廣泛應(yīng)用，其具有的高比表面積為電解質(zhì)的離子提供了大量的活性位點(diǎn)。然而，商用活性碳通常以物理形式儲能，電極材料的電容量有限。傳統(tǒng)的方式包括負(fù)載金屬氧化物、金屬氫氧化物、導(dǎo)電聚合物等能獲得高比容量，但這通常在一定程度上犧牲了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，穩(wěn)定的碳骨架結(jié)構(gòu)是碳電極材料摻雜修飾提升性能的基礎(chǔ)。

3、在眾多的碳材料中，石墨烯是一種碳原子以sp2軌道雜化排列的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，將這種存在于二維平面的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)擴(kuò)展至宏觀尺度的三維骨架結(jié)構(gòu)將有望獲得一種穩(wěn)定的碳骨架結(jié)構(gòu)。相比于化學(xué)氣相沉積法的層層堆疊，利用高能束流對含碳前驅(qū)體進(jìn)行刻蝕可直接實(shí)現(xiàn)石墨烯的三維結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)的高能束流誘導(dǎo)三維石墨烯通常以改變高能束流參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，卻少有研究者針對前驅(qū)體的熱分解狀態(tài)對三維石墨烯骨架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4、為了解決上述問題，本發(fā)明通過對含碳前驅(qū)體進(jìn)行前處理，然后利用高能束流原位優(yōu)化石墨烯電極材料的骨架結(jié)構(gòu)，所制備的石墨烯電極材料具有優(yōu)異的電導(dǎo)率、超高的離子傳輸能力和顯著改善的比電容量。由該石墨烯電極組裝的超級電容器的能量密度和功率密度均有改善，且保持優(yōu)異的循環(huán)使用壽命特征，可滿足微型電子設(shè)備的使用需求。本發(fā)明為高性能超級電容器電極材料的研究提供參考，有望取代商用活性碳材料，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種三維石墨烯復(fù)合材料的制備方法，選擇含碳量高的芳香族聚合物作為石墨烯前驅(qū)體，并采用不同的前處理方式對其熱分解特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保證在高能束流的掃描下獲得不同的三維石墨烯骨架結(jié)構(gòu)，通過對電極材料的電阻行為和電容進(jìn)行對比分析，確定優(yōu)化的三維石墨烯骨架結(jié)構(gòu)。同時，利用三維石墨烯骨架錨定贗電容材料來拓寬工作電位并獲得更豐富的反應(yīng)活性位點(diǎn)，為高性能超級電容器電極材料提供新的設(shè)計(jì)思路。

2、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明的第一個目的是提供一種三維石墨烯復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)對聚合物薄膜進(jìn)行前處理；

5、(2)將前處理后的聚合物薄膜暴露于高能束流下，得到三維石墨烯材料；

6、(3)采用浸漬法將贗電容材料負(fù)載在三維石墨烯材料上；

7、(4)對負(fù)載有贗電容材料的三維石墨烯材料進(jìn)行熱處理，得到三維石墨烯復(fù)合材料。

8、本發(fā)明的第二個目的是提供一種通過前述的制備方法制備得到的三維石墨烯復(fù)合材料。

9、本發(fā)明的第三個目的是提供所述三維石墨烯復(fù)合材料作為電極材料的應(yīng)用。

10、本發(fā)明的第四個目的是提供一種超級電容器，采用所述三維石墨烯復(fù)合材料作為電極材料。

11、本發(fā)明所述三維石墨烯復(fù)合材料優(yōu)異的電化學(xué)性能是在高能束流誘導(dǎo)制備三維多孔石墨烯的前提下通過聚合物的前處理和高贗電容材料的穩(wěn)定復(fù)合來協(xié)同實(shí)現(xiàn)的。具體地，通過對聚合物進(jìn)行前處理以及調(diào)控高能束流誘導(dǎo)制備石墨烯材料過程中聚合物發(fā)生的石墨化過程來實(shí)現(xiàn)石墨烯骨架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，再采用浸漬法將贗電容材料均勻摻雜分布在石墨烯骨架上，然后利用熱處理將贗電容活性物質(zhì)均勻復(fù)合在優(yōu)化的石墨烯骨架上，從而獲得超級電容器用三維骨架石墨烯電極材料。

12、本發(fā)明的有益效果是：

13、(1)本發(fā)明通過優(yōu)化石墨烯材料的骨架結(jié)構(gòu)能夠提高電解質(zhì)中離子的輸運(yùn)能力，保證電化學(xué)反應(yīng)快速高效的進(jìn)行。

14、(2)本發(fā)明通過在三維骨架石墨烯材料上原位負(fù)載贗電容活性物質(zhì)可將穩(wěn)定工作電位窗口擴(kuò)展，為構(gòu)筑高能量密度的超級電容器提供了先決條件。

15、(3)本發(fā)明制備的三維石墨烯復(fù)合材料更具連續(xù)性和穩(wěn)定性，可有效改善傳統(tǒng)高能束流誘導(dǎo)制備的石墨烯材料的電導(dǎo)率和晶體質(zhì)量，是新一代超級電容器電極材料的可靠選擇。

技術(shù)特征：

1.一種三維石墨烯復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述聚合物的熱分解溫度為100～700℃，碳保持率>20％；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述聚合物包括聚酰亞胺、聚醚砜、聚酰胺酸、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂中的一種或幾種，聚合物的成膜方式包括熱固型和熱塑型兩種；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述前處理包括預(yù)加熱、預(yù)冷凍、氧等離子處理、分子結(jié)構(gòu)修飾改性中的一種或幾種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述高能束流包括氣體激光、半導(dǎo)體激光、固體激光、光纖激光、離子束、電子束中的一種或幾種；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述贗電容材料包括金屬鹽、導(dǎo)電聚合物中的一種或幾種；

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述熱處理方式包括閃蒸焦耳熱、管式爐加熱、馬弗爐加熱、高能束流掃描中的一種或幾種；

8.通過權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的三維石墨烯復(fù)合材料。

9.權(quán)利要求8所述的三維石墨烯復(fù)合材料作為電極材料的應(yīng)用。

10.一種超級電容器，其特征在于：采用權(quán)利要求8所述的三維石墨烯復(fù)合材料作為電極材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種三維石墨烯復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用、超級電容器，涉及超級電容器電極材料技術(shù)領(lǐng)域，所述三維石墨烯復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：(1)對聚合物薄膜進(jìn)行前處理；(2)將前處理后的聚合物薄膜暴露于高能束流下，得到三維石墨烯材料；(3)采用浸漬法將贗電容材料負(fù)載在三維石墨烯材料上；(4)對負(fù)載有贗電容材料的三維石墨烯材料進(jìn)行熱處理，得到三維石墨烯復(fù)合材料。本發(fā)明通過優(yōu)化石墨烯材料的骨架結(jié)構(gòu)能夠提高電解質(zhì)中離子的輸運(yùn)能力，并通過在三維骨架石墨烯材料上原位負(fù)載贗電容活性物質(zhì)可將穩(wěn)定工作電位窗口擴(kuò)展。

技術(shù)研發(fā)人員：王振洋,張淑東,康俊,李年,劉翠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽格蘭科新材料技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6