[发明专利]石墨烯电极活性物质及其制备方法和应用以及电极材料、电极片和电化学电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯电极活性物质的制备方法及由该方法制备的石墨烯电极活性物质，以及该石墨烯电极活性物质在制备电极材料、电极片或电化学电容器中的应用，本发明还涉及含有该电极活性物质的电极材料、电极片和电化学电容器。 

背景技术

电化学电容器（Electrochemical Capacitor，EC）也称超级电容器（Supercapacitor），作为一种新型的化学电源，其使用寿命长（105次循环)、比功率大（1500W/kg)、能快速充电（可为数秒)、低温性能好（最低工作温度-50℃)，大电流放电性能好、储存能量大、具有比电池更高的功率密度，比传统电容器更高的能量密度，不仅可以和电池配套使用为电动车等提供峰值功率，甚至可以单独为电动工具或电动车提供动力，以减少基于石化资源燃烧提供能量对生态带来的负面影响。而且其质量轻、免维护、低污染、价格便宜、性能卓越，被誉为新型的绿色能源。因此，今后电化学电容器很可能发展成为一种高效、实用的能量储存装置，因而在交通、能源、通讯、电力电子、军工国防、工业生产等领域都有着十分广阔的应用前景。 

电极材料的优劣是电化学电容器性能的决定性因素，人们一直在开发具有更高能量密度和更高功率密度的电极材料。现有技术中，用于电化学电容器的电极材料，可分为以下三类：贵金属氧化物、导电聚合物和碳基电极材料。其中，贵金属的资源有限、价格昂贵；导电聚合物循环稳定性差，限制了它们的应用；碳电极材料主要有：活性碳粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳 纳米管等，但是活性碳粉、活性炭纤维、碳气凝胶等多孔碳材料虽然可以得到比较高的比电容，但是导电能力低，且其较低的比功率限制了其作为电化学电容器的应用，碳纳米管尽管其导电能力优越，但是其较高的接触电阻，较低的比容量，以及高昂的成本也限制了其应用。石墨烯材料作为一种近年来广受关注的二维材料，比表面积较大，导电能力优异，成本价格低，制作工艺简单，是作为电化学电容器电极材料的极佳选择。 

目前制备石墨烯电极活性物质的方法通常为：将氧化石墨粉末直接在惰性气体氛围下，在600-1200℃温度下热处理3-30分钟。然而，通过目前方法得到的石墨烯电极活性物质的表面具有较少的羰基和羟基，羰基的含量一般为0.5-1.5摩尔%，羟基的含量一般为3-10摩尔%。将该石墨烯电极活性物质制备的电极材料用于电化学电容器中，电化学电容器的比电容量、容量保持率、能量密度还不够高，为了制备更高比电容量、容量保持率、能量密度的电化学电容器，需要研发更加优异的石墨烯电极活性物质。 

发明内容

本发明的目的是克服目前方法得到的石墨烯电极活性物质的表面的羰基和羟基较少，由此制备的电极材料用于电化学电容器中，电化学电容器的比电容量、容量保持率、能量密度较低的缺陷，提供一种新的石墨烯电极活性物质的制备方法，及由该方法得到的石墨烯电极活性物质，以及该石墨烯电极活性物质在制备电极材料、电极片或电化学电容器中的应用，并提供含有该电极活性物质的电极材料、电极片和电化学电容器。 

本发明的发明人在研究中意外发现，将氧化石墨粉末分散在去离子水中得到分散液，将分散液在氢离子浓度为0.01-16mol/L、温度为0-100℃的条件下放置5-240分钟后，经固液分离得到沉淀物，将沉淀物进行干燥、研磨后得到的粉末，在惰性气体氛围下，在600-1200℃下热处理1-60秒，得到 的石墨烯电极活性物质的表面具有大量的羰基和羟基，由该石墨烯电极活性物质制备成电极材料，用于电化学电容器中，可使电化学电容器有较高的比电容量、容量保持率和能量密度。 

因此，为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种石墨烯电极活性物质的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

（1）将氧化石墨粉末分散在去离子水中得到分散液； 

（2）将步骤（1）得到的分散液在氢离子浓度为0.01-16mol/L、温度为0-100℃的条件下放置5-240分钟后，进行固液分离得到沉淀物； 

（3）将步骤（2）得到的沉淀物进行干燥、研磨后得到粉末A； 

（4）将步骤（3）得到的粉末A，在惰性气体氛围下，在600-1200℃下热处理1-60秒。 

优选地，所述氧化石墨粉末的碳氧原子比为1.5-3.0。 

另一方面，本发明提供了一种石墨烯电极活性物质，其特征在于，所述石墨烯电极活性物质由如上所述的方法制得。 

第三方面，本发明提供了一种电极材料，所述电极材料含有粘结剂和电极活性物质，其特征在于，所述电极活性物质为如上所述的石墨烯电极活性物质。