[发明专利]一种钌氧化物/导电聚合物/石墨烯复合电极材料的制备方法

说明书

本发明公开一种钌氧化物/导电高分子/石墨烯复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：将含钌化合物和石墨烯加入溶剂中，混合均匀，配制成复合浆料A；将掺杂聚吡咯和复合浆料A混合均匀，得到复合浆料B；将复合浆料B涂覆在金属集电极上，烘干；将烘干后的金属集电极在水汽保护下进行热分解，得到钌氧化物/导电高分子/石墨烯复合电极材料。方法工艺简单，易于规模化生产，所制备的复合电极材料具有比容量高、内阻低、附着力高和性能稳定等优点，适宜做高能电容器的阴极。

技术领域

本发明属于高能电容器领域，具体涉及一种钌氧化物/导电聚合物/石墨烯复合电极材料的制备方法。

背景技术

高能电容器，即高能混合钽电容器，采用钽电解电容器的阳极作为工作阳极，采用具有超大容量的超级电容器阴极材料作为阴极(美国专利，专利号：US 5369547)，具有钽电解电容器的高工作电压和高可靠性优势，但容量显著高于传统的钽电容器，可达到法拉级。因此高能电容器在信息技术、消费电子、电动车与城市轨道交通、风能/太阳能发电、航空航天、国防科技等储能与换能领域具有广泛的应用前景。

由于电容器的总容量(C_电容器)为阳极容量(C_阳极)和阴极容量(C_阴极)的串联，也就是说C_电容器＝C_阳极/(1+C_阳极/C_阴极)。对于高能电容器，为了使电容器容量充分接近钽阳极容量，需要具有大容量的阴极，例如，为了使C_电容器达到95％C_阳极以上，则需要C_阴极19C_阳极。因为高能电容器的容量已高达10万微法以上，因此，需要具有法拉级容量的超级电容器电极材料作为其阴极。在目前的三类超级电容器电极材料中，碳材料只能利用其表面储能，比容量相对较低；导电聚合物如聚吡咯可以利用体相发生法拉第反应储能，具有高的理论比容量，但聚吡咯电极在充电时，需要电解液中的阴离子(或水合阴离子)进入聚合物的网格结构对带正电荷的聚吡咯链进行电荷补偿，放电时网格中的阴离子需要脱出聚合物而进入溶液。由于离子扩散相对于电子传输来说是一个慢过程，因此在快速充放电时，聚合物的充放电速率受离子扩散控制。并且，当聚合物膜的厚度达到一定程度后，离子难以穿透聚吡咯膜而形成没有电化学活性的死区。这不仅降低了电极材料的利用率，并且限制了单位面积电极材料比容量的提高，这样在装配超级电容器时集电极的质量将大大增加，不利于提高超级电容器的能量密度和功率密度；金属氧化物也可以利用体相储能，具有高的理论比容量，但普通金属氧化物如二氧化锰的导电性差，内阻高，不适宜在高频率充放电情况下的高能电容器中使用。然而，二氧化钌(全称为无定形水合二氧化钌)电极，不仅具有高电导率和高理论比容量，且实际比容量也容易达到其它材料的数倍以上。此外，氧化钌还具有宽的电位窗和优异的循环稳定性等优势，被公认为是一种性能最、优异的超级电容器电极材料和高能电容器阴极材料。目前，用氧化钌与钽阳极体组成混合电容器，可以获得能量密度达到1J/cm³以上的高能电容器(中国专利专利号：ZL 200420035723.7，中国专利公开号：CN 1963966A)，该能量密度已高于常规钽电容器数倍。

钽电容器和钽阳极经过几十年的发展，技术已趋成熟，因此，高能电容器的难点就在于开发高性能的氧化钌阴极。但目前该类高能电容器的氧化钌阴极制备方法通常为先化学法制备氧化钌活性材料，然后加入粘结剂和导电剂等添加剂后涂覆在集电极表面(中国专利专利号：ZL 200420035723.7，中国专利公开号：CN 1963966A)，制备超级电容器用氧化钌电极时也常采用该类方法(中国专利公开号：CN 101269851A，中国专利公开号：CN101271767A)。该方法存在如下问题：

1、在电极材料中加入了电气绝缘的粘结剂，会增加电极材料的内阻进而提高了整个电容器的等效串联电阻；

2、添加导电剂虽然可以降低内阻而缓解这一问题，但导电剂和粘结剂这两种添加剂的加入会降低电极材料中活性物质的含量而降低电极的比容量；