一种超级电容器的电极材料及制备方法、应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及电极材料的技术领域，特别涉及一种超级电容器的电极材料及制备方法、应用。
【背景技术】
[0002]超级电容器作为最重要的能量存储装置之一，具有功率密度高，循环寿命长的显著优势，但其能量密度低。开发高能量密度兼具高功率密度的超级电容器是目前电容器产业的热点和难点。开发高容量的电极材料是制备高能量密度超级电容器的关键。
[0003]石墨烯由于其独特的二维纳米结构、极高的表面积、优异的化学稳定性、宽的电化学窗口、卓越的电学和热学性能，以及易加工成柔性薄膜等优异性能，被认为是一种理想的超级电容器电极材料。石墨烯主要通过在电极/电解液界面形成双电层储能，其理论比电容在550F/g。相对而言，基于氧化还原反应储能的过渡金属氧化物电极材料具有更高的理论容量，例如，MnO2比电容达到1370F/g，但这些高容量的过渡金属氧化物的导电性能差，从而限制了能量的快速存储和释放。把过渡金属氧化物与高导电性的石墨烯复合可望克服单一组分的缺陷，获得高容量超级电容器电极材料。
[0004]超级电容器电极的性能常用质量比容量评价，然而随着许多便捷式电子产品设计得越来越薄，体积越来越小，用于存放储能器件的空间极其有限，因此用体积比容量(单位体积空间内存储的电量)评价超级电容器材料性能就变得尤为重要。从公式Q = CgXp(Q:单位体积存储的电量，Cg:质量比容量，P:电极的密度)可知，要想获得高体积比容量，需要提高电极的密度，但这会导致电极的可利用表面积降低以及电解液中离子在电极中的扩散速度变慢，最终导致器件的比容量和功率密度变小。对于目前的石墨烯/金属氧化物电极材料而言，由于石墨烯的二维片层结构，其在材料中的紧密堆积将会限制电解液与金属氧化物充分接触，并阻碍电解液中离子在整个电极材料中快速迀移，导致器件的容量和充放电性能不佳。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种超级电容器的电极材料，以解决现有的石墨烯/金属氧化物电极材料，由于石墨烯的二维片层结构，其在材料中的紧密堆积将会限制电解液与金属氧化物充分接触，并阻碍电解液中离子在整个电极材料中快速迀移，导致器件的容量和充放电性能不佳，且体积比容量不高的技术性问题。
[0006]本发明的另一目的在于提供上述的超级电容器的电极材料的制备方法，以解决现有的石墨烯/金属氧化物电极材料，由于石墨烯的二维片层结构，其在材料中的紧密堆积将会限制电解液与金属氧化物充分接触，并阻碍电解液中离子在整个电极材料中快速迀移，导致器件的容量和充放电性能不佳，且体积比容量不高的技术性问题。
[0007]本发明的再一目的在于提供上述的超级电容器的电极材料在制备超级电容器中的应用。
[0008]本发明目的通过以下的技术方案实现:
[0009]一种超级电容器的电极材料，包括多孔石墨烯/金属氧化物纳米颗粒复合材料，所述复合材料的密度大于lg/cm3。
[0010]优选地，所述复合材料的密度为1.l_3g/cm3。
[0011]优选地，所述复合材料包括多孔石墨稀和金属氧化物纳米颗粒，所述多孔石墨稀的含量为 0.1wt % -70wt%。
[0012]优选地，所述复合材料包括多孔石墨稀、金属氧化物纳米颗粒和粘合剂。
[0013]优选地，所述金属氧化物纳米颗粒选自MnO2纳米颗粒、Ni (OH) 2纳米颗粒、N1纳米颗粒、RuO2纳米颗粒、T1 2纳米颗粒或CuO纳米颗粒的其中一种或几种。
[0014]上述的超级电容器的电极材料的制备方法，包括以下步骤:
[0015]a.制备多孔石墨稀/金属氧化物纳米颗粒复合材料；
[0016]b.将所述复合材料在压机下压实，所述压机的压强为l_200Mpa，得到密度大于lg/cm3的电极材料。
[0017]优选地，所述步骤a进一步包括:
[0018]al.用刻蚀剂使石墨烯表面形成孔洞得到多孔石墨烯；
[0019]a2.将多孔石墨稀与金属氧化物纳米颗粒复合得到多孔石墨稀/金属氧化物纳米颗粒复合材料。
[0020]优选地，所述步骤a进一步包括:
[0021]al.将石墨稀与金属氧化物纳米颗粒复合形成石墨稀/金属氧化物纳米颗粒复合材料；
[0022]a2.再将所述石墨稀/金属氧化物纳米颗粒复合材料中的石墨稀刻蚀成多孔石墨稀得到多孔石墨稀/金属氧化物纳米颗粒复合材料。
[0023]优选地，所述步骤a进一步包括:
[0024]将多孔石墨烯与金属氧化物纳米颗粒复合得到多孔石墨烯/金属氧化物纳米颗粒复合材料。
[0025]优选地，所述步骤a进一步包括:
[0026]在多孔石墨烯的分散体系中，以金属盐或有机金属化合物为前体物，通过热分解或者水解反应得到相应的金属氧化物纳米颗粒并与所述多孔石墨烯复合得到多孔石墨烯/金属氧化物纳米颗粒复合材料，该复合方法可避免金属氧化物纳米颗粒团聚。
[0027]优选地，所述步骤b中还包括在压实前将粘合剂加入所述复合材料并混合的步骤。加入粘合剂可使复合电极材料颗粒之间的结合更牢固，并易于与铜箔等金属集流体紧也彡口口。
[0028]优选地，所述复合步骤包括:
[0029]将金属氧化物纳米颗粒与石墨稀或多孔石墨稀机械混合。
[0030]上述的超级电容器的电极材料在制备超级电容器中的应用。
[0031 ] 所述多孔石墨烯可由氧气、二氧化碳、氢氧化钾、双氧水、高锰酸钾、硝酸等刻蚀剂中的一种或者它们的混合物刻蚀石墨烯得到。
[0032]金属氧化物纳米颗粒可由其前体物，如氯化锰、硝酸锰、高锰酸钾、钛酸酯、四氯化钛，三氯化钛、草酸镍、醋酸镍、硝酸钴和六氟钛酸铵等经过热分解或者水解生成。
[0033]与现有技术相比，本发明有以下有益效果:
[0034]1、本发明的电极材料的多孔石墨烯由于具有大量的孔洞，使得电解液与金属氧化物可以充分接触，可充分利用金属氧化物材料用于电化学反应，并为电解液中离子提供快速扩散通道，使得电极材料具有高体积容量并具有高功率密度，且具有较佳的充放电性能，且电极材料的密度高。
[0035]2、本发明的电极材料由多孔石墨烯与金属氧化物复合形成，在所有方向对电解液都通透，电极材料在所有方向对电解液都通透是指电解液中的离子不受石墨烯片层结构的阻碍，既可以经过石墨烯片层之间的空隙也可以经过石墨烯表面的孔洞与金属氧化物接触以参加电化学反应，从而提高了超级电容器的容量和充放电性能。
[0036]3、本发明的电极材料中的多孔石墨烯可以提高电极的导电性能，特别是由于多孔石墨烯表面分布大量的孔洞，电解液中离子可以通过孔洞快速在整个电极中的扩散和传输并与金属氧化物发生电化学反应，从而显著提高了超级电容器的质量和体积比容量。
【附图说明】
[0037]图1为多孔石墨烯/金属氧化物纳米复合材料的示意图；
[0038]图2为实施例1制备的多孔石墨烯的透射电镜照片。
【具体实施方式】
[0039]下面将通过具体实施例对本发明做进一步的具体描述。
[0040]本发明提供的高密度多孔石墨烯/金属氧化物纳米复合电极材料中，如图1所示，多孔石墨烯的表面分布有大量的孔洞，这种孔洞为电解液与金属氧化物的充分接触提供了保证，并且为电解液离子提供了快速扩散通道。这种多孔石墨烯可以用刻蚀剂刻蚀的方法制备得到，刻蚀剂可以选用氧气、二氧化碳、氢氧化钾、双氧水、高锰酸钾、硝酸等，优选氢氧化钾和双氧水。
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