[发明专利]一种三维高导热导电复合材料、其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于新型无机非金属材料制备技术，涉及一种三维复合材料、其制备方法与应用，尤其涉及一种三维高导热导电复合材料、其制备方法与作为超级电容器电极的应用。

背景技术

二十世纪以来，超级电容器这一具有功率密度高，循环寿命长，绿色环保的储能器件受到越来越的关注和研究，它已被广泛应用于消费电子、数据存储备份系统和工业能源管理和一些新兴领域中。从储能机理来看，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容。双电层电容是利用高比表面积的活性材料可逆的吸附静电荷从而实现储能的，电极材料在电化学过程中不发生氧化还原反应，但是受到表面静电储能机理的限制，双电层电容器的能量密度较低。赝电容，又可以称为氧化还原电化学电容器，它们在电化学过程中可发生可逆的氧化还原反应。金属氧化物如RuO₂，Fe₃O₄和MnO₂，还有些导电聚合物都是常见的赝电容的电极材料。

传统的电化学电容器的电极都是通过涂布法制备的，即将制备好的活性物质和导电剂乙炔炭黑还有粘合剂均匀混合后并加入溶剂制成浆料，然后涂布到集流体上。常见的集流体为多孔镍，多孔铜等。这种制备方法由于使用了聚合物基的粘合剂，导致整体电极的热导率极低(一般小于1W/mK)，电阻率大，电导率差，在大电流充放电过程中容易产生大量热量，这对于器件的稳定性和安全性都是不利的，并且，在充放电过程中极易发生粉化问题，而从集流体上脱落下来，这对整个器件的稳定性、安全性都是极其不利的。在大电流充放电时，电极容易产生大量热量，这对超电容的稳定性和安全性是极其不利的。

目前的散热方案都是通过在器件的外部加入一些散热器等器件或者是减小电极的面积等方法，但这些方法都不能及时有效的将热量散出，而且制备工序繁琐，增加了制备成本。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种三维高导热导电复合材料、其制备方法与作为超级电容器电极的应用。本发明的复合材料可直接作为超级电容器的电极，这种整体式电极制备方法避免了聚合物基粘合剂的使用，也无需涂布操作，制备方案简单高效。得到的三维复合材料具有优良的导热性能和导电性能，具有赝电容特征，倍率性能优，电化学性能良好，且采用该三维复合材料作为电极的超级电容器的循环性能良好。

本发明中，上述“高导热导电复合材料”中的“高导热导电”指：热导率在501Wm^-1K^-1以上；电导率在37050.1Sm^-1以上。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种三维复合材料的制备方法，尤其是一种高导热导电复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)以氧化石墨烯溶液和/或石墨烯溶液为电解液，多孔集流体接电源正极，进行电沉积，得到沉积包覆有还原的氧化石墨烯和/或石墨烯的三维骨架；

(2)以步骤(1)电沉积得到的三维骨架为工作电极，以制备活性物质的原料溶液作为电解液，进行循环扫描，利用电沉积法在三维骨架上沉积电化学活性物质；

(3)进行退火处理，得到多孔集流体/还原的氧化石墨烯和/或石墨烯/活性物质，即三维复合材料。

本发明中，氧化石墨烯简称为GO，还原的氧化石墨烯简称为RGO，石墨烯简称为G。

本发明中，步骤(1)中“氧化石墨烯和/或石墨烯”指：可以是氧化石墨烯溶液，也可以是石墨烯溶液，还可以是氧化石墨烯溶液和石墨烯溶液的混合溶液。

本发明中，步骤(1)所述电沉积时，对接电源负极的电极种类不作限定，例如可以是铂片。

本发明中，步骤(1)所述“沉积包覆”指：通过电沉积实现包覆。本发明对包覆程度不作限定，可以是完全包覆，也可以是部分包覆。

本发明中，步骤(2)所述“制备活性物质的原料溶液”指：制备活性物质所使用的原料的溶液。

本发明中，步骤(1)所述“沉积包覆有还原的氧化石墨烯和/或石墨烯的三维骨架”中，还原的氧化石墨烯的产生是由于氧化石墨烯(GO)在电沉积的过程中发生了还原，从而得到还原的氧化石墨烯(RGO)。

本发明中，步骤(1)所述“沉积包覆有还原的氧化石墨烯和/或石墨烯的三维骨架”中，“还原的氧化石墨烯和/或石墨烯”指：可以是还原的氧化石墨烯，也可以是石墨烯，还可以是还原的氧化石墨烯和石墨烯的混合物。