[发明专利]石墨烯复合电极及其制备方法和应用

说明书

【技术领域】

本发明涉及电池或电容器的电极材料领域，尤其涉及一种石墨烯复合电极及其制备方法和应用。

【背景技术】

超级电容器以其高能量密度、高功率密度、长寿命、对环境友善等优点而备受关注。在太阳能充电器、报警装置、家用电器、微机的备用电源、飞机的点火装置等航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用前景，已成为世界各国研究的热点。

在超级电容器的研究与开发过程中，高比表面积的碳材料是超级电容器理想的电极材料，如活性炭、碳气凝胶、碳纳米管和碳纤维等。尽管碳材料超级电容器已经初步的商业化应用，但是由于其容量比较小，从而其应用也在一定程度上受到较大的限制，需要寻找新的大容量的、稳定可靠的超级电容器电极材料。利用金属氧化物发生氧化还原反应而产生的法拉第准电容进行能量存储的电化学电容器引起了科研工作者的极大兴趣。其中，氧化钌是过渡金属氧化物当中理想的超级电容器材料，但其价格昂贵，难以产业化使用；氧化镍和氧化钴存在工作电位窗口较窄的缺点；而氧化锰资源丰富、价格低廉、具有双电层电容和赝电容的双重特性，且氧化锰材料无污染、可用运于大规模生产，被认为是极具潜力的超级电容器电极材料，引起了人们的广泛关注。但传统制备的氧化锰电极材料存在电阻较大的问题，限制了其进一步应用。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种电阻相对较小的电极及其制备方法。

本发明提供了一种石墨烯复合电极，包括集流体及位于所述集流体表面的电极活性材料，所述电极活性材料包括石墨烯和二氧化锰，所述石墨烯位于所述集流体表面，所述二氧化锰所述石墨烯表面，其中，石墨烯在所述电极活性材料中的质量百分含量为80-90％。

在优选的实施方式中，所述集流体为镍箔或铝箔。

一种石墨烯复合电极的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将氧化石墨在溶剂中超声分散制备氧化石墨烯溶液，再通过电沉积法将所述氧化石墨烯沉积至集流体表面，得到氧化石墨烯/集流体电极；

步骤二：将所述氧化石墨烯/集流体电极作为工作电极，配合参比电极和辅助电极，在含锰源的电解液中，恒电流作用下在氧化石墨烯/集流体电极上沉积二氧化锰，且二氧化锰沉积在所述氧化石墨烯表面，得到二氧化锰/氧化石墨烯/集流体电极；

步骤三：还原所述二氧化锰/氧化石墨烯/集流体电极，得到所述石墨烯复合电极，石墨烯在所述电极活性材料中的质量百分含量为80-90％。

在优选的实施方式中，步骤一中所述氧化石墨按照下述步骤制备：

将石墨粉加入至0℃的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，体系的温度保持在10℃以下，搅拌2小时后再在室温下水浴搅拌24小时，然后在冰浴条件下向反应体系中缓慢加入去离子水，15分钟后，再加入含双氧水的去离子水，直至溶液的颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用浓度为10％的盐酸进行洗涤，抽滤，60℃真空干燥即得到氧化石墨。

在优选的实施方式中，步骤一中电沉积过程包括如下步骤：首先，向制得的氧化石墨烯溶液中加入电解质，超声分散，以得到均匀的溶液作为电解液；然后取集流体作为电极，将其平行对称放置在电解液中，两电极间距为0.5cm；再在两电极之间通入40～80V的直流电5～20分钟，在所述电极表面沉积氧化石墨烯，制得氧化石墨烯/集流体电极。

在优选的实施方式中，所述电解质是Mg(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O或Zn(NO₃)₂·6H₂O，电解液中电解质的浓度为0.2～5mg/mL。

在优选的实施方式中，步骤二中，所述参比电极为甘汞电极；所述辅助电极为铂电极；所述含锰源的电解液为浓度0.25-0.5mol/L的Mn(CH₃COO)₂溶液；恒电流的电流密度为1.25mA/cm²。

在优选的实施方式中，步骤三中还原所述二氧化锰/氧化石墨烯/集流体电极包括如下步骤：将步骤二所得的二氧化锰/氧化石墨烯/集流体电极自然晾干后，真空烘烤1～3小时，再将其放入加热炉管中，在惰性气体氛围下，以10℃/min的加热速率升温至500℃～800℃，保持2～4小时，反应完毕后，在惰性气氛中冷却到室温，得到所述石墨烯复合电极。

在优选的实施方式中，所述集流体为镍箔或铝箔。