[发明专利]石墨烯-离子液体复合材料及其制备方法、石墨烯-离子液体复合电极及其制备方法与电化学电容器

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料合成领域，尤其是一种石墨烯-离子液体复合材料及其制备方法、石墨烯-离子液体复合电极及其制备方法与电化学电容器。

背景技术

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，并获得2010年物理诺贝尔奖。由于其独特的结构和良好的光电性质，石墨烯目前已成为碳材料、纳米技术和功能材料等领域的研究热点之一。目前制备石墨烯材料的方法主要是氧化还原法，但在制备过程中由于必须使用强酸或强碱，石墨烯的片层结构极易被破坏，而且制得的石墨烯间容易发生团聚现象，严重影响了其导电、导热性能。如何克服上述技术缺陷，开发新的石墨烯制备方法，已经成为当前石墨烯领域的研究热点之一。

电化学电容器是一种介于电容器和电池之间的新型储能器件。与传统的电容器相比，电化学电容器具有更高的比容量。近年来，随着电化学电容器的发展，逐渐出现了以石墨烯为电极材料的电化学电容器。然而由于石墨烯的上述技术缺陷，目前石墨烯电极材料的比容量和电导率均较小，而且在制备过程中需要添加粘结剂，这不仅增加了电极的内阻，更导致了活性材料的比重下降，严重制约了电化学电容器的能量密度和功率密度，因而石墨烯材料在电化学电容器中的应用受到了诸多方面的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种石墨烯-离子液体复合材料及其制备方法、石墨烯-离子液体复合电极及其制备方法与电化学电容器。本发明将插层石墨置于离子液体中进行微波剥离，从而在不破坏石墨烯的结构的前提下，制得单层率高，分散性好的石墨烯-离子液体复合材料；然后直接将得到的石墨烯-离子液体复合材料压制成复合电极，无需制备集流体，也不需要使用粘结剂，极大提高了电化学电容器的能量密度和功率密度。

第一方面，本发明提供了一种石墨烯-离子液体复合材料的制备方法，包括：将插层石墨与熔融的离子液体按固液比为1g：10～100mL的比例混合，搅拌均匀后放入微波炉中，以1000～2000W的功率剥离10～100分钟，得到石墨烯-离子液体复合材料。

石墨是一种多层晶体结构，稳定性好，石墨层间结合力虽弱，但在现有技术条件下直接将石墨晶层完全剥离几乎不能实现。将石墨置于插层剂中电解，电解液中的离子可进入石墨层间，引起石墨层间距的扩展，进一步弱化石墨层间的结合力，制得易于剥离的插层石墨。优选地，所述插层石墨采用如下步骤制得：将石墨压制成片状的石墨电极作为工作电极，以铅板作为对电极，以汞/硫酸亚汞电极作为参比电极；在电解槽中倒入插层剂作为电解液，然后将参比电极、工作电极与对电极置于电解槽并完全浸泡在电解液中，接着在室温下以5～20mA/cm²的电流密度电解5～20小时；取出石墨电极，清洗并干燥，得到插层石墨。

更优选地，所述石墨为天然磷片石墨或人造石墨。

更优选地，所述插层剂为甲酸、乙酸、丙酸、硝酸和硝基甲烷中的至少一种。

更优选地，所述清洗并干燥，具体操作为将经电解后的石墨电极用去离子水冲洗后放入真空干燥箱中，以60～80℃干燥12～24小时。

优选地，所述离子液体为凝胶状或凝固状的离子液体；所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-2,3-二甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-乙基咪唑氯盐和1,2-二甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。

优选地，所述离子液体熔融时的熔融温度为150~300℃。

本发明所述制备方法将插层石墨置于离子液体中进行微波处理，由于插层石墨的层间结合力较弱，在微波处理过程中很容易被层层剥离，并分散在离子液体中，制备过程不需要使用强酸强碱，因此制得的石墨烯片层结构完整，单层率高，分散性好；原料来源广，成本低，制备工艺简单，易于实现工业化。

第二方面，本发明提供了一种石墨烯-离子液体复合材料，所述石墨烯-离子液体复合材料是由上述制备方法制得的。

第三方面，本发明提供了一种石墨烯-离子液体复合电极的制备方法，包括如下步骤：

将插层石墨与熔融的离子液体按固液比1g：10～100mL的比例混合，搅拌均匀后放入微波炉中，以1000～2000W的功率剥离10～100分钟，得到石墨烯-离子液体复合材料；