一种金属-石墨烯复合的多孔电极材料的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种多孔电极材料，特别涉及一种金属-石墨烯复合的多孔电极材料。
【背景技术】
[0002]石墨烯是由单层sp2杂化碳原子构成的二维蜂窝状晶格结构材料，它可以展现出极高的电子迀移率、极好的热力学稳定性和良好的柔韧性等，单层石墨烯在室温下具有高热导率，室温下表现出量子霍尔效应，高电子迀移率等。同时石墨烯由于其独特的二维结构，具有超大的比表面积，单层石墨稀理论比表面积达到2630 m2/g。自2004年石墨稀被发现以来，其独特的结构与物理化学性质受到国内外学术界的广泛关注。基于其优良的导电性能及二维平面结构，石墨烯作为电极材料在储能器件中表现出非常好的电化学性能，吸引了越来越多的科研工作者对它和它的复合材料进行研究和开发。
[0003]在制备电极材料时，选用石墨烯和具有开孔的三维立体结构的多孔金属复合，可以大大增加电极的比表面积和导电率，具有平板电极所没有的内部空间，可以增加电化学储能器件的容量。
[0004]在现有的技术中，绝大多数都是直接在多孔金属表面上原位生长石墨烯，如申请号为201410029979.5 (—种连续相海绵状石墨烯材料及其制备方法)，申请号为201410029989.9 (连续相海绵状石墨烯制作锂电池的正负极材料及制备方法)，申请号为201410285437.4(用于制作电极的多孔金属复合材料及其制备方法)提供的技术方案，但由于泡沫金属的骨架表面非常粗糙，存在很多晶界、凸起、凹坑、褶皱，甚至还会有裂纹和表面氧化现象。而金属粗糙的表面结构会对在其上制备得到的石墨烯的质量产生一些不良的影响，在泡沫镍骨架表面直接制备得到的石墨烯晶粒尺寸较小、层数不均且难以控制，晶界处往往存在较厚的石墨烯，少层石墨烯成无序堆叠，这些缺陷大大降低了石墨烯的导电能力，此类技术方案还对多孔金属的组成具有选择性，基体只能采用对石墨烯具有催化生长作用的金属。
【发明内容】
[0005]为了克服现有产品存在的缺点和不足，本实用新型提供了一种金属-石墨烯复合的多孔电极材料。在该电极材料中，石墨烯缺陷少、面积大、层数可控、导电性好，多孔金属基体可以选用各种不同组分的纯金属或合金，而不必局限于几种对石墨烯具有催化作用的金属。
[0006]本实用新型的技术方案为:
[0007]—种金属-石墨烯复合的多孔电极材料，包括多孔金属基体(图1中的1)、过渡金属层(图1中的2)、石墨烯层(图1中的3)，其中:
[0008]多孔金属作为基体，其具有开孔的三维立体结构、平均孔直径为ΙΟΟμπι?3000 ym、厚度为 0.3 mm ?70 mm ；
[0009]基体表面嵌入和覆盖有过渡金属层，过渡金属层的平均厚度为5 nm?2000 nm ;
[0010]过渡金属层表面覆盖有单层或多层石墨稀，石墨稀层的厚度为0.34 nm?100nm ；
[0011]上述基体上至少有一层过渡金属层和一层石墨烯层，并且过渡金属层与石墨烯层可以叠加(见图2，其中1为基体，2为第一层过渡金属层，3为第一层石墨烯，4为第二层过渡金属层，5为第二层石墨烯，以此类推)。
[0012]本实用新型通过在多孔金属基体上覆盖一层过渡金属层，在过渡金属层上覆盖石墨烯，上述过渡金属层和石墨烯层可以在多孔金属基体上叠加至少一次，从而得到一种金属-石墨烯复合的多孔电极材料，本方案的优点在于:
[0013](1)多孔金属具有比表面积高、导电性好、质量轻、易加工的特点，与石墨烯复合时可以充分利用石墨烯本身具备的优异的导电能力和高比表面积的特点，制备出电化学性能优异的电极。
[0014](2)在多孔金属基体表面上覆盖一层对石墨烯具有催化作用的过渡金属层，相比直接在多孔金属基体表面直接生长石墨烯得到的多孔电极材料来说，可以填补和覆盖多孔金属骨架表面的晶界和缺陷，在其上制备得到的石墨烯的质量具有晶粒大、连续性好、缺陷少的特点，还可以消除石墨烯对多孔金属组分的选择性，能够实现在任何多孔基体上生长石墨烯，从而得到可以满足不同设计需求的金属-石墨烯复合的多孔电极材料。
[0015](3)可以根据需要在多孔金属基体表面上多次叠加过渡金属层和石墨稀层，提高石墨稀的覆盖率，增大电极表面积，提尚导电率。
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型中所述过渡金属层和石墨烯层在多孔金属上叠加一次的剖面图。
[0017]图2是本实用新型中所述过渡金属层和石墨烯层在多孔金属上叠加多次的剖面图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例来进一步说明本实用新型所述的一种金属-石墨烯复合的多孔电极材料。
[0019]实施例1:
[0020]以泡沫镍为基体，所选泡沫镍的平均孔直径为100 μ m，厚度为0.3 mm,在基体表面嵌入和覆盖Cu作为过渡金属层，过渡金属层的平均厚度为5 nm，然后在过渡金属层表面覆盖一层石墨稀，石墨稀层的厚度为0.34 nm?1 nm，从而得到一种金属-石墨稀复合的多孔电极材料。
[0021]实施例2:
[0022]以泡沫铝为基体，所选泡沫铝的平均孔直径为400 μ m，厚度为1 mm，在基体表面嵌入和覆盖Cu-Ni合金作为过渡金属层，过渡金属层的平均厚度为300 nm,然后在过渡金属层表面覆盖石墨稀层，石墨稀层的厚度为0.34 nm?4 nm，从而得到一种金属-石墨稀复合的多孔电极材料。
[0023]实施例3:
[0024]以泡沫镍铁为基体，所选泡沫镍铁的平均孔直径为500 μ m，厚度为2.5 mm,在基体表面嵌入和覆盖Co-Ni合金作为过渡金属层，过渡金属层的平均厚度为600 nm，然后在过渡金属层表面覆盖石墨稀层，石墨稀层的厚度为0.34 nm?2nm，从而得到一种金属-石墨烯复合的多孔电极材料。
[0025]实施例4:
[0026]以泡沫钴为基体，所选泡沫钴的平均孔直径为800 μ m，厚度为3 mm,在基体表面嵌入和覆盖Cu作为第一层过渡金属层，第一层过渡金属层的平均厚度为200 nm,然后在第一层过渡金属层表面覆盖第一层石墨烯，第一层石墨烯层的厚度为7 nm?10 nm。在第一层石墨烯层上覆盖Ni作为第二层过渡金属层，第二层过渡金属层的平均厚度为500 nm，再在第二层过渡金属层表面覆盖第二层石墨稀，第二层石墨稀层的厚度为0.34 nm?2nm。从而得到一种金属-石墨稀复合的多孔电极材料。
[0027]实施例5:
[0028]以泡沫铜镍为基体，所选泡沫铜镍的平均孔直径为3000 μ m，厚度为70 mm,在基体表面嵌入和覆盖Ni作为第一层过渡金属层，第一层过渡金属层的平均厚度为2000 nm,然后在第一层过渡金属层表面覆盖第一层石墨稀，第一层石墨稀层的厚度为90 nm?100 nm。在第一层石墨烯层上覆盖Pd作为第二层过渡金属层，第二层过渡金属层的平均厚度为300nm,再在第二层过渡金属层表面覆盖第二层石墨烯，第二层石墨烯层的厚度为0.34 nm?3.5 nm。在第二层石墨烯层上覆盖Cu_Co合金作为第三层过渡金属层，第三层过渡金属层的平均厚度为800 nm，再在第三层过渡金属层表面覆盖第三层石墨烯，第三层石墨烯层的厚度为0.34 nm?2 nm。从而得到一种金属-石墨稀复合的多孔电极材料。
【主权项】
1.一种金属-石墨稀复合的多孔电极材料，其特征包括多孔金属基体、过渡金属层、石墨稀层，其中: 多孔金属作为基体，具有开孔的三维立体结构、平均孔直径为100 μπι?3000 μm、厚度为 0.3 mm ?70 mm ； 基体表面嵌入和覆盖有过渡金属层，过渡金属层的平均厚度为5 nm?2000 nm ; 过渡金属层表面覆盖有单层或多层石墨稀，石墨稀层的厚度为0.34 nm?100 nm ； 上述基体上至少有一层过渡金属层和一层石墨烯层，并且过渡金属层与石墨烯层可以叠加。
【专利摘要】本实用新型公开了一种金属-石墨烯复合的多孔电极材料，通过在多孔金属基体上覆盖一层过渡金属层，在过渡金属层上覆盖石墨烯，过渡金属层和石墨烯层可以在多孔金属基体上叠加至少一次。该电极材料具有质量轻、高比表面积、高导电率、导热能力强、化学稳定性高的特点，并且适用于大批量规模生产用途，在电极应用方面具有很高的应用价值。
【IPC分类】H01M10/052, H01M4/36
【公开号】CN205069761
【申请号】CN201520844996
【发明人】穆俊江, 韦雁途, 吴天和
【申请人】梧州三和新材料科技有限公司
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年10月28日