[发明专利]一种基于石墨烯/硅铝质胶凝材料的超级电容器及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯/硅铝质胶凝材料的超级电容器及其制备。

背景技术

近年来，随着人们对储能设备依赖程度的增加，单一功能的储能设备已经无法满足人们日益增长的需求。研究的新方向聚焦在了多功能储能系统上，能够将储能系统同时与能量转换、可弯曲、结构强度等特性结合起来。多功能储能系统有很多种实现方式，但是收效最显著的是将结构功能(比如强度、刚度、断裂韧性等)和储电功能结合起来。在结构储能系统中，必须满足充放电的基本要求并且同时具有结构强度以及完整性。

在众多种类的储能设备中，超级电容器以其功率密度高、循环寿命长、使用温度范围宽及充电迅速等优异特性收到了极大的关注。而相比于电池，超级电容器更易于维持结构的完整性，因为在充放电过程中不涉及到化学反应，其电极材料不会受到物理损坏。因此，结构超级电容器最有望实现结构储能一体化。这种器件以超级电容器为基础，主要由电极、电解质以及中间的隔层构成，它能够在电极—电解质界面上存储电荷，并且能够在承受一定机械作用应力的情况下同样具备充放电能力，以满足实际运用中对储能设备结构强度的需要。目前对于结构超级电容器的研究中，大部分工作者都将重心放在了电极与电解质材料的结构储能一体化上，而对于具有结构功能的隔层材料鲜有报道。

结构超级电容器的隔层主要起到阻断电子电导，以维持器件的工作稳定性。利用隔层材料实现结构储能一体化是一个崭新的思路。硅铝质胶凝材料作为一种新型绿色胶凝材料，在建筑领域有很大的应用前景。而利用其作为结构超级电容器的隔层材料，有望实现建筑—储电结构一体化。其主要原理是通过硅铝质胶凝材料本身三维网络中的孔隙来储存和运输离子电解质，其本身较好的力学性能又能够为器件提供结构强度。但是较高的孔隙率在提高离子传输的同时，却又会对力学性能产生影响。并且硅铝质胶凝材料的孔隙率与制备过程中的原料配比有很大关系。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种力学性能优良、比电容大的基于石墨烯/硅铝质胶凝材料的超级电容器及其制备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于石墨烯/硅铝质胶凝材料的超级电容器，该超级电容器包括隔层以及设置在隔层两侧的石墨烯电极，所述隔层采用硅铝质胶凝材料，所述隔层内部吸附存储离子电解质溶液。

本发明基于石墨烯/硅铝质胶凝材料制备的新型结构超级电容器在保证储电性能(比电容为36.45Fg-1)的前提下，还具有一定的力学性能(抗压强度为44.68MPa)，能够在承受载荷的环境下工作。该成果有望应用于太阳能光电建筑，建筑光伏一体化等领域。

所述的离子电解质溶液包括KOH溶液、NaOH溶液、NaCl溶液或KCl溶液中的一种或多种，所述离子电解质溶液的浓度为2～3mol/L。

一种如上所述超级电容器的制备方法，包括以下几个步骤：

(1)石墨烯电极的制备：将石墨烯、导电剂和粘结剂混合，加入去离子水作为分散剂，研磨辊压成薄片，然后将薄片压到泡沫镍集流体上，干燥即得所述石墨烯电极；

(2)隔层的制备：在水玻璃中加入NaOH溶液，得到水玻璃激发剂溶液，搅拌均匀后密封静置，然后加入偏高岭土和去离子水，搅拌均匀后注入模具中成型，然后养护即得所述硅铝质胶凝材料的隔层；

(3)将隔层浸到离子电解质溶液中直至吸附饱和，然后将石墨烯电极组装在隔层的两侧，得到所述超级电容器。

步骤(1)所述导电剂包括炭黑或乙炔黑，所述粘结剂包括聚四氟乙烯，所述石墨烯、导电剂和粘结剂的质量比为(14～18)：(2～4)：1。

碳黑、乙炔黑作为导电剂，可以填充石墨烯片层之间的空隙从而增强导电性，同时其吸液性也较好，可以增强与电解液间的吸附作用。但作为辅助性物质，其比表面积远小于石墨烯，少量掺入即可。聚四氟乙烯作为粘结性，可以增强电极活性物质之间的粘结力，从而提高电极的结构一体性，使其在工作过程中不易被破坏，但是其本身导电性与分散性较差，故不宜过多掺入，少量即可。

步骤(2)所述水玻璃的原始固含量为30％～40％，所述水玻璃中Si元素和Na元素的摩尔比为(6～7)：1。

加入NaOH溶液后，所述水玻璃激发剂溶液中Si元素和Na元素的摩尔比为(1.4～2.2)：1。在此摩尔比范围内，碱激发反应才能够有效进行，形成由共用氧交替键合的SiO₄和AlO₄四面体组成的聚合硅-氧-铝酸盐网络结构。而其中的碱金属离子Na+出现在构架的空腔内，以平衡其中的负电荷