一種氧化石墨烯負(fù)載氧化銅鋰離子電容器電極材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種氧化石墨烯負(fù)載氧化銅鋰離子電容器電極材料的制備方法。將0.5-1g氧化石墨置于50-60mL的異丙醇中，攪拌均勻后超聲處理3小時得到氧化石墨烯；將5mmol的硝酸鈉、5-15mmol的硝酸銅和50-60mL去離子水混合，磁力攪拌30分鐘直到硝酸鈉和硝酸銅完全溶解，慢慢滴加濃氨水，緩慢調(diào)節(jié)pH值至11±0.5；將所得溶液加入到氧化石墨烯中，磁力攪拌30分鐘，隨后超聲處理3小時，再進(jìn)行90℃油浴回流，持續(xù)反應(yīng)12小時；反復(fù)洗滌，獲得的黑色粉末轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中，在空氣中180-250℃反應(yīng)12小時，得到氧化石墨烯負(fù)載氧化銅電極材料。本發(fā)明的方法不但原料儲量豐富易得，價格低廉，而且鋰離子電容性能高，大倍率性能好，循環(huán)性能穩(wěn)定。
【專利說明】 一種氧化石墨烯負(fù)載氧化銅鋰離子電容器電極材料的制備
方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種鋰離子電容器電極材料的制備方法，具體地說是一種含有Cu0/G0復(fù)合材料的電極材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化石燃料的耗盡以及越來越嚴(yán)重的環(huán)境問題，對于有效，清潔和可持續(xù)發(fā)展的清潔能源越來越為迫切。近年來，電化學(xué)電容器或者超級電容器吸引了大量的關(guān)注，主要是由于他們的高功率密度大，生命周期長，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)介電電容器(具有高功率輸出)容量小和電池、燃料電池(具有高能量儲存)功率密度低的缺點。但是，與此同時，電化學(xué)超級電容器的低能量密度和高昂的制造成本阻止了其進(jìn)一步的發(fā)展。為了克服電化學(xué)超級電容器的能量密度低的缺點，最常用的方法就是發(fā)展新型的電極材料。如今最為主流的電極材料為多孔的碳基材料，盡管碳基材料的比表面積較大，但是，在其充放電的過程當(dāng)中，電荷僅僅物理存儲在多孔結(jié)構(gòu)的界面，因此，其電容性能受到了嚴(yán)重的限制，人們把這種電容器稱之為雙電層電容器。為了改善雙電層電容器較低的能量密度，可以將電化學(xué)活性物質(zhì)摻雜到碳基電極材料當(dāng)中，這種含有電化學(xué)活性物質(zhì)電極材料的電容器被稱之為法拉第雁電容器。這種電容器能夠產(chǎn)生比雙電層電容器更大的比電容以及更高的能量密度。在相同的電極面積下法拉第雁電容器可以是雙電層電容器容量的10?100倍。
[0003]影響超級電容器發(fā)展的關(guān)鍵因素有電極材料、與電極材料匹配的電解液和電極的制備技術(shù)等。常用的電解液為水系電解液，但存在分解電壓窗口窄的缺點。由于有機(jī)電解液的分解電壓窗口寬，能使電容器具有較高的工作電壓和比能量，成為今后超級電容器研究的熱點。使用鋰離子電解液為有機(jī)電解液的超級電容器為鋰離子電容器。具體可參見文獻(xiàn) Zhao H, Pan L, Xing S，et al.Vanadium oxides-reduced graphene oxide compositefor lithium-1on batteries and supercapacitors with improved electrochemicalperformance[J].Journal of Power Sources，2013，222:21-31.以 及 CuO/graphenecomposite as anode materials for lithium-1on batteries[J].ElectrochimicaActa, 2011，56:2306-2311。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種價格低廉，能量密度高的氧化石墨烯負(fù)載氧化銅鋰離子電容器電極材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0006](I)、將0.5-lg氧化石墨置于50_60mL的異丙醇中，攪拌均勻后超聲處理3小時得到氧化石墨烯；
[0007](2)、將5mmol的硝酸鈉、5_15mmol的硝酸銅和50_60mL去離子水混合,磁力攪拌30分鐘直到硝酸鈉和硝酸銅完全溶解；[0008](3)、向步驟(2)所得溶液中慢慢滴加濃氨水，滴加的過程中不斷攪拌溶液，緩慢調(diào)節(jié)pH值至11±0.5 ；
[0009](4)、將步驟(3)所得溶液加入步驟(I)所得氧化石墨烯中，磁力攪拌30分鐘，隨后超聲處理3小時，再進(jìn)行90°C油浴回流，持續(xù)反應(yīng)12小時；
[0010](5)、對混合溶液進(jìn)行抽濾，用去離子水反復(fù)洗滌；
[0011](6)、將洗滌之后獲得的黑色粉末轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中，加上蓋子，然后在空氣中180-250°C反應(yīng)12小時，得到氧化石墨烯負(fù)載氧化銅電極材料。
[0012]本發(fā)明以CuO/GO為工作電極，對鋰片為對電極，以聚丙烯為隔膜，六氟磷酸鋰LiPF6為電解液，組裝CuO/GO電極體系，在0-3.0V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行充放電，即可獲得鋰離子
電容容量。
[0013]本發(fā)明的實質(zhì)是采用鋰離子電池的電極結(jié)構(gòu)，以CuO/GO取代炭等作為電極材料，在鋰離子電解液中進(jìn)行充放電，構(gòu)成鋰離子電容器的電極，獲得鋰離子電容容量。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點在于氧化石墨烯(GO)是石墨烯的一種重要衍生物，其特征在于二維平面和邊緣上有大量的含氧官能團(tuán)，這種獨特的結(jié)構(gòu)決定其具有高的比表面積和高的離子擴(kuò)散系數(shù)。GO和石墨烯進(jìn)行對比，省去了隨后的還原步驟，簡化了實驗的工序，減少了環(huán)境的污染，而且原材料極為豐富，制備工藝簡單，相比于碳納米管來說其價格更加便宜。CuO屬于過渡金屬氧化物，具有價格便宜，毒性小，環(huán)境友好，比容量大等優(yōu)點，但是，氧化銅屬于半導(dǎo)體，有著導(dǎo)電性差，體積效應(yīng)明顯等缺點。通過將納米級的CuO均勻地負(fù)載在GO上，利用GO的高比表面積和較高的導(dǎo)電性來提高Cu0/G0復(fù)合材料的性能。納米級的CuO顆粒均勻的分布在氧化石墨烯上，不僅能夠防止GO的團(tuán)聚，而且還能夠提供一定的容量。利用Cu0/G0復(fù)合材料作為超級電容器的電極材料，不但原料儲量豐富易得，價格低廉，而且鋰離子電容性能高，大倍率性能好，循環(huán)性能穩(wěn)定。
【具體實施方式】
[0015]為了更好地說明本發(fā)明的效果，下面以具體實例加以說明。
[0016](I)、稱取Ig氧化石墨放入IOOmL的燒杯中，加入60mL的異丙醇，攪拌均勻，接著超聲處理3小時，直到溶液中的氧化石墨均勻分散在異丙醇中。長期的放置也不會產(chǎn)生沉淀，這時候氧化石墨被超聲剝離成了氧化石墨烯，簡寫為GO ; (2)、稱取5mmol的硝酸鈉，5-15mmol的硝酸銅和60mL去離子水，同時放入到IOOmL的燒杯中，磁力攪拌30分鐘直到硝酸鈉和硝酸銅完全溶解；(3)、向上述溶液中慢慢滴加濃氨水，滴加的過程中不斷攪拌溶液，緩慢調(diào)節(jié)PH值至大約為11左右，在滴加濃氨水過程中可以觀察到溶液中首先有大量的白色沉淀生成，隨著氨水量的增加，沉淀逐漸消失，最后溶液變成藍(lán)色的澄清溶液；(4)、將
(3)溶液倒入(I)中，磁力攪拌30分鐘，隨后超聲處理3小時，然后轉(zhuǎn)移到圓底燒瓶中，進(jìn)行90°C油浴回流，持續(xù)反應(yīng)12小時；(5)、對上述混合溶液進(jìn)行抽濾，用去離子水反復(fù)洗滌5次；(6)、將洗滌之后獲得的黑色粉末轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中，加上蓋子。然后在空氣中180-250°C反應(yīng)12小時,得到氧化石墨烯負(fù)載氧化銅Cu0/G0電極材料。
[0017]應(yīng)用實例I
[0018]以IOmmol硝酸銅負(fù)載的Cu0/G0為活性物質(zhì)，乙炔黑為導(dǎo)電劑，聚偏二氟乙烯(PVDF)為粘結(jié)劑，按質(zhì)量比為導(dǎo)電劑:粘結(jié)劑:活性物質(zhì)=10:10:80進(jìn)行配比，制作CuO/GO電極，以CuO/GO電極為工作電極，純鋰片為對電極。隔膜為直徑18mm的聚丙烯隔膜，電解液為Imol.T1LiPFyEC = DEC = EMC=1:1:1。組裝CuO/GO電極體系，在O?3.0V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行充放電，在IA.g_1電流密度下循環(huán)100圈后放電比容量能夠維持在320F.g'
[0019]應(yīng)用實例2
[0020]以5mmol硝酸銅負(fù)載的CuO/GO為活性物質(zhì)，乙炔黑為導(dǎo)電劑，聚偏二氟乙烯(PVDF)為粘結(jié)劑，按質(zhì)量比為導(dǎo)電劑:粘結(jié)劑:活性物質(zhì)=10:10:80進(jìn)行配比，制作CuO/GO電極，以Cu0/G0電極為工作電極，純鋰片為對電極。隔膜為直徑18mm的聚丙烯隔膜，電解液為Imol.T1LiPFyEC = DEC = EMC=1:1:1。組裝Cu0/G0電極體系，在O?3.0V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行充放電，在IA.g—1電流密度下循環(huán)100圈后放電比容量能夠維持在250F.g'
[0021]應(yīng)用實例3
[0022]以15mmol硝酸銅負(fù)載的Cu0/G0為活性物質(zhì)，乙炔黑為導(dǎo)電劑，聚偏二氟乙烯(PVDF)為粘結(jié)劑，按質(zhì)量比為導(dǎo)電劑:粘結(jié)劑:活性物質(zhì)=10:10:80進(jìn)行配比，制作CuO/GO電極，以Cu0/G0電極為工作電極，純鋰片為對電極。隔膜為直徑18mm的聚丙烯隔膜，電解液為Imol.L1LiPFyEC = DEC = EMC=1:1:1。組裝Cu0/G0電極體系，在O?3.0V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行充放電，在IA.g_1電流密度下循環(huán)100圈后放電比容量能夠維持在280F.g'
【權(quán)利要求】
1.一種氧化石墨烯負(fù)載氧化銅鋰離子電容器電極材料的制備方法，其特征是: (1)、將0.5-lg氧化石墨置于50-60mL的異丙醇中，攪拌均勻后超聲處理3小時得到氧化石墨烯； (2)、將5mmol的硝酸鈉、5_15mmol的硝酸銅和50_60mL去離子水混合,磁力攪拌30分鐘直到硝酸鈉和硝酸銅完全溶解； (3)、向步驟(2)所得溶液中慢慢滴加濃氨水，滴加的過程中不斷攪拌溶液，緩慢調(diào)節(jié)pH 值至 11±0.5 ； (4)、將步驟(3)所得溶液加入到步驟(I)所得氧化石墨烯中，磁力攪拌30分鐘，隨后超聲處理3小時，再進(jìn)行90°C油浴回流，持續(xù)反應(yīng)12小時； (5)、對混合溶液進(jìn)行抽濾，用去離子水反復(fù)洗滌； (6)、將洗滌之后獲得的黑色粉末轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中，加上蓋子，然后在空氣中180-250°C反應(yīng)12小時，得到氧化石墨烯負(fù)載氧化銅電極材料。
【文檔編號】H01G11/50GK103474257SQ201310421426
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】王貴領(lǐng), 李一舉, 楊帆, 潘越, 曹殿學(xué), 楊賽男, 劉新偉 申請人:哈爾濱工程大學(xué)