[发明专利]一种用于超级电容器的碳纳米电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于导电材料技术领域，特别涉及一种用于超级电容器的碳纳米电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器是一种利用电化学的电容原理来储存电能的设备，具有功率密度高，使用寿命长等优点，可以用作不稳定电流的储存（如风能与潮汐能），以及大型交通工具（如轮船或飞机）的备用照明电源等。但与锂离子电池相比，超级电容器的能量密度比较低，其在交通工具与移动电子设备等方面的应用受到一定限制。

目前商业化的电极材料主要是活性碳，但活性炭只能用于工作电压小于3 V的电容器中。而单壁碳纳米管、双壁碳纳米管与1层~3层的石墨烯具有化学结构稳定，比表面积大，导电性良好的特点，被视为制作下一代高能量密度的电容器的理想电极材料。但单壁碳纳米管或双壁碳纳米管的直径小，管与管之间的范德华力强，易成束而难分散；而1层~3层的石墨烯在互相叠合后，就变为多层石墨烯；这两种情况都导致比表面积降低，电容性能下降。目前最新的研究思路是制备单壁碳纳米管或双壁碳纳米管的一种或多种与石墨烯的杂化体，利用二者不同的结构特征，在形成了一层石墨烯与一层单壁碳纳米管或双壁碳纳米管相间的结构后，就可以克服二者各自的缺点。但目前直接制备这种杂化体的方法，产率低，纯度低，而且碳纳米管的壁数与石墨烯的层数不易控制。利用氧化石墨烯与官能团化后的单壁碳纳米管或双壁碳纳米管进行自组装，可以形成类似的结构，但在高电压下使用时，需要在高温环境中进一步除去各种官能团。而高温作用又导致所得的结构团聚，在离子液体型电解液中的分散效果不佳，同时这种方法处理步骤长，收率低，成本高昂。

发明内容

本发明针对上述电极材料及其制备方法的缺点进行了创新性的改进，提出了一种用于超级电容器的碳纳米电极材料及其制备方法。

本发明提供了一种用于超级电容器的碳纳米电极材料，其特征在于：所述碳纳米电极材料由单壁碳纳米管或双壁碳纳米管与石墨烯杂化而成，其中单壁碳纳米管的含量为0 wt%~99 wt%，双壁碳纳米管的含量为0 wt%~99 wt%，石墨烯的含量为1 wt%~99 wt%。

本发明还涉及上述用于超级电容器的碳纳米电极材料的制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

将碳纳米管与石墨烯在氧含量小于0.5 ppm，水含量小于1 ppm 的环境中，分散于20 ℃~80 ℃的离子液体（N-甲基丁基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺盐、N-甲基丁基哌啶双三氟甲磺酰亚胺盐，1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、三甲基丙铵双三氟甲磺酰亚胺盐、二乙基甲铵乙基甲醚双三氟甲磺酰亚胺盐及1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐等离子液体中的一种或多种）中，控制所有碳纳米电极材料的总重量为离子液体的1%~20%。在100 rpm~4000 rpm的速率下机械搅拌约1小时~20小时；或将碳纳米电极材料与离子液体混合后超声振荡1小时~24 小时；或将碳纳米电极材料与离子液体的混合物经过研磨后，用螺杆挤出机挤出；或上述两种或三种方法的组合，从而制备出一种用于超级电容器的碳纳米电极材料。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、离子液体的介电特性强，可以克服单/双壁碳纳米管束间的范德华力，以及1层~3层石墨烯间的静电力，从而有效得到二者相间的杂化结构。由于离子液体身就是高电压超级电容器的理想电解液，所以其与碳纳米电极材料的混合物就可以直接用于构筑电容器，这样不但使得杂化体的制备步骤简化，也使得超级电容器制备步骤缩短，其成本比用传统的氧化石墨烯法所制备的这类杂化体的成本低60%~90%。

2、通过离子液体分散得到碳纳米电极材料的杂化体后，就可直接使用，所有过程不需要在高温下操作，因此所得到的单/双壁碳纳米管与石墨烯杂化体的结构易保持。因此，以该方法制备的杂化体比传统的氧化石墨烯法制备的这类杂化体，在用于超级电容器时，基于碳纳米电极材料的能量密度可提高0.5倍~1.5倍。

3、通过离子液体分散制备碳纳米电极材料的方法，比经过催化剂方法原位制备这类材料的方法，制备温度低，产品纯度高。因此以该方法制备碳纳米电极材料比经过催化剂方法原位制备这类材料的成本要下降4倍~10 倍。

4、通过离子液体分散制备碳纳米电极材料的方法，可以使用任何制备方法得到的高纯度的单/双壁碳纳米管，以及任何方法制备得到的高纯度的1层~3层的石墨烯，因此不受任何一种直接制备这类结构的方法（如石墨电弧法或化学气相沉积法）的过程的限制，具有可放大的特性。

具体实施方式