以石墨烯和水泥为材料的新型结构超级电容器及其的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超级电容器，尤其是涉及一种以石墨烯和水泥为材料的新型结构超级电容器及其制作。
【背景技术】
[0002]近几十年来，电能的储存问题一直受到广泛关注。各种电池是目前应用最多的储电装置，但是电池的能量密度小，充放电效率低以及受周围环境因素影响较大等各种缺点已经无法满足人们的需要。而超级电容器从诞生到现在，已经经历了 30多年的时间。因其使用寿命久、环境适应力强、高充放电效率、高能量密度这四大显著特点，使得它成为当今世界上最值得研究的课题之一。
[0003]结构超级电容器与普通的超级电容器有所不同，相较于后者来说，前者除了能够储蓄电能之外，其自身还保持着一定机械性能，使其应用更加广泛。目前，结构超级电容器则多被应用于汽车航空航天等领域，而在建筑相关领域等尚未涉及，由此可见结构超级电容器在未来市场上具有巨大的发展潜力。结构超级电容器的组件至少需要满足两个条件:具有结构性的电极材料和结构性的隔层材料。
[0004]电极材料要求具有高的比表面积，高导电性以及热力学和(电)化学的稳定性。目前利用各种碳材料作为超级电容器的研究已经相对成熟，例如碳纤维材料因具有高强度和硬度以及具有良好的导电性已经被广泛应用于结构超级电容器中。但是结构碳纤维的比表面积相对较低，同时工业上的活性碳纤维的石墨化程度较低而且很难满足一些特定的要求。而同为碳材料的石墨稀具有尚比表面积，尚导电，尚初性和尚抗压等特点引起了人们的广泛关注。另外根据研究发现，石墨烯的比表面积并不像活性碳那样取决于气孔的分布情况，而是由其层数所决定，因此以石墨烯为电极材料对于提高结构功能电容器的电学和力学性能具有很大的意义。
[0005]隔层材料除了要求不能导电之外，还要求具有一定的孔隙率以方便离子可以自由传输，并且拥有较高的抗压等力学性能。水泥是应用建筑中最多的材料，用它作为结构功能电容器的隔层材料便有望实现建筑一一储电结构一体化。然而水泥中较多的孔隙率有利于离子的传输却不利于力学性能的提高，较少的孔隙率虽然提高了力学性能，但是却限制了离子的运输能力。而水泥的水灰比和水化时间又是影响水泥孔结构的重要因素，此二者互为矛盾关系。因此，探究不同水灰比以及水化时间对水泥超级电容器的电学性能以及力学性能具有很大的研究意义。
【发明内容】
[0006]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以石墨烯和水泥为材料的新型结构超级电容器及其制作，本发明的结构超级电容器平衡了其电学性能与力学性能。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]—种以石墨烯和水泥为材料的新型结构超级电容器，由电极、隔层材料及电解液组成，所述的电极位于隔层材料相对两侧，所述的电解液吸附于隔层材料内部，所述的电极由石墨烯材料制得，所述的隔层材料为水泥材料，所述的电解液为碱性电解液。
[0009]所述的电极由石墨烯、炭黑、聚四氟乙烯制得，所述的石墨烯、炭黑、聚四氟乙烯的质量比为(13-19): (1.5-4.5):1，优选为 16:3:1。
[0010]所述的石墨烯表面含有含氧官能团，所述的含氧官能团主要为羟基和羧基，另外，所述的石墨烯中的C和0的原子数量比为(7?9): 1。适量含氧官能团可以使得电极材料具有一定的润湿性，在超级电容器的后期使用中，可以提高其比电容大小。但是过多的含氧官能团一方面会影响电极材料的导电性，另一方面又会引入赝电容的出现。
[0011]所述的隔层材料为水灰比在0.3?0.5的水泥材料。
[0012]所述的电解液选自1?5mol/L的KOH、NaCl或KC1等离子溶液。
[0013]上述以石墨烯和水泥为材料的新型结构超级电容器的制造方法，包括以下步骤:
[0014](1)电极的制作:聚四氟乙烯加入蒸馏水稀释，然后加入石墨烯与炭黑，所述的石墨烯、炭黑、聚四氟乙烯的质量比为(13-19): (1.5-4.5):1，优选为16:3: 1，并搅拌，将搅拌后的混合液移入烘干箱中进行烘干处理，在其未完全干燥之前取出压制薄片电极，最后将薄片电极放入烘箱中继续烘干，直至完全干燥后即制得电极；
[0015](2)隔层材料的制作；以水泥作为原料，配制水灰比0.3?0.5的水泥浆体，并将水泥浆体注入模具中成型，再放进水泥养护室进行养护，水泥养护室的养护温度为19?21 °C，相对湿度在85?95 %，制得隔层材料
[0016](3)将隔层材料浸入到电解液中使其完全吸附饱和，并与电极一起组装得到新型结构超级电容器。
[0017]对于上述制得的新型结构超级电容器需要进行力学性能与电学性能的测试。
[0018]用于测试电学性能时，隔层材料的模具尺寸为直径10mm，厚度为1mm的圆环；而用于力学抗压测试时，隔层材料的模具尺寸为40mm*40mm*40mm。
[0019]电学性能测试主要为循环伏安测试(CV)和横流充放电测试(DC)。在进行测试之前需要将水泥隔层浸入电解液中，使其完全饱和。力学性能测试主要是抗压测试。每次测试六组样品，然后取其平均值。
[0020]抗压测试使用的是JES-300混凝土抗压测试机(中国，无锡)，设定的加载速度为8.2KN/S。电学性能测试利用的是CHI 660C电化学工作站，循环伏安测试可以验证结构超级电容器的循环情况信息；恒流充放电曲线可以直接获得样品的比电容大小。主要参数设置为:电流密度为1A gS0.75A g 1和0.5A g S电势窗为+0.5V和-0.5V ;充放电循环次数为3次。
[0021]传统的超级电容器只有电学性能，而没有力学性能。而基于石墨烯和水泥材料制备的结构超级电容器除了具有电学性能之外(比电容为10F g1)，还具有一定的力学性能(抗压强度为9.85MPa)。本发明的结构超级电容器既能获得较高的比电容，又能保证水泥自身的抗压能力，可应用于建筑储能等相关领域，有望实现建筑-储能结构功能一体化。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果:
[0023]1.由于石墨烯具有优良的导电性与力学性能，因此该发明采用高导电石墨烯为结构超级电容器的电极材料。
[0024]2.水泥是建筑中的重要材料，绝缘不导电且内部含有孔隙结构，为离子运输提供了通道。因此本发明首次采用硬化水泥浆体作为结构超级电容器的隔层材料。
【附图说明】
[0025]图1:本发明的新型结构超级电容器结构示意图；
[0026]图2:结构超级电容器电极材料高导电石墨烯XPS图；
[0027]图3:水灰比为0.3硬化水泥浆体组装结构超级电容器的循环伏安图；
[0028]图4:水灰比为0.3硬化水泥浆体组装结构超级电容器的恒流充放电图；
[0029]图5:水灰比为0.4硬化水泥浆体组装结构超级电容器的循环伏安图；
[0030]图6:水灰比为0.4硬化水泥浆体组装结构超级电容器的恒流充放电图；
[0031]图7:水灰比为0.5硬化水泥浆体组装结构超级电容器的循环伏安图；
[0032]图8:水灰比为0.5硬化水泥浆体组装结构超级电容器的恒流充放电图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0034]实施例1
[0035]称量500g 42.5的海螺水泥和150g去离子水进行混合搅拌，待充分搅拌之后分别加入到直径为10mm,厚度为1mm的圆环模具以及尺寸为40mm*40mm*40mm的正方体模具。24小时之后放进水泥养护室(20°C ±1°C，相对湿度大约在90%左右)进行养护。
[0036]28天之后取出养护室中的硬化水泥样品，即得到水泥隔层材料，将水泥隔层材料浸入到IMol/L的Κ0Η溶液中使其完全饱和。
[0037]本实施例中，电极的制作方法为:选取聚四氟乙烯5mg，加入适量蒸馏水稀释。然后加入电极材料石墨稀80mg，炭黑15mg，并且充分搅拌，将搅拌后的混合液移入烘干箱中进行烘干处理，在其未完全干燥之前取出压制薄片电极，最后将薄片电极放入烘箱中继续烘干，直至完全干燥后即制得电极。
[0038]本实施例中使用的石墨稀XPS图如图2所不，为表面有含氧官能团的石