儲電性能優良的石墨烯複合電極材料及其製備方法與流程
2023-06-02 00:16:46 1
本發明涉及電極材料技術領域，特別涉及一種儲電性能優良的石墨烯複合電極材料及其製備方法。
背景技術：
2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。在2015年末硼烯發現之前，石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。石墨烯是目前自然界最薄、強度最高的材料，最有潛力的應用是成為矽的替代品，製造超微型電晶體，用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代矽，計算機處理器的運行速度將會快數百倍。另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常緻密，即使是最小的氣體原子（氫原子）也無法穿透。這些特徵使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為「黑金」，是「新材料之王」，科學家甚至預言石墨烯將「徹底改變21世紀」。極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性新技術新產業革命。所以本項目旨在研製出一款儲電性能優良的石墨烯複合電極材料，應用石墨烯的優良電化學特性來滿足電極材料行業的需求和發展。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明提供一種儲電性能優良的石墨烯複合電極材料及其製備方法，通過採用特定原料進行組合，配合相應的生產工藝，得到的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料，其性能可靠,導電性能優良、儲電性能好，對環境無汙染，能夠滿足行業的要求，具有較好的應用前景。
本發明的目的可以通過以下技術方案實現：
儲電性能優良的石墨烯複合電極材料，由下列重量份的原料製成：石墨烯30-45份、聚偏二氟乙烯3-6份、四甘醇5-10份、聚氧乙烯月桂醚2-5份、三羧甲基丙烷縮水甘油醚2-5份、椰子油3-6份、苯二甲酸酐1-4份、三乙醇胺鹽4-7份、氫氧化鋁3-9份、碳酸鎂4-9份、草酸2-5份、磷酸二氫銨1-2份、分散劑4-7份、矽烷偶聯劑3-6份、膠黏劑3-8份。
優選地，所述分散劑選自N-甲基-2-吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基苯磺酸鈉、木質素磺酸鈉中的一種或幾種。
優選地，所述矽烷偶聯劑選自乙烯基三乙氧基矽烷、3-氨丙基三甲氧基矽烷、3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基矽烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基矽烷中的一種或幾種。
優選的，所述膠黏劑選自二甲基三苯基甲烷四異氰酸酯、羧甲基纖維素鈉、丁腈-酚醛樹脂、聚氨酯膠中的一種或幾種。
所述的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）按照重量份稱取各原料；
（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於分散劑中，同時加入聚偏二氟乙烯、四甘醇、聚氧乙烯月桂醚、三羧甲基丙烷縮水甘油醚、椰子油、苯二甲酸酐，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為300-500W，超聲時間為3-6小時；
（3）將氫氧化鋁、碳酸鎂、草酸、磷酸二氫銨加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速200-400轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至2.5-3之間，攪拌時間為30-45分鐘；
（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙醇胺鹽、矽烷偶聯劑、膠黏劑，在還原性氣體氛圍中混煉1-3小時，轉速250-350轉/分鐘，反應溫度為560-620℃，然後冷卻至120℃，得到密煉混合物；
（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為220℃，出風溫度160℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；
（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度520℃，加入物料後降溫至380℃，加壓至1-2Mpa,同時緩慢充入還原性氣體保護，塗覆以後的成品在還原性氣體中保溫3-5小時，降至室溫即得成品。
優選地，所述步驟（4）和步驟（6）中，還原性氣體氛圍為氮氣氣體氛圍。
本發明與現有技術相比，其有益效果為：
（1）本發明的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料以石墨烯、氫氧化鋁、碳酸鎂、草酸、磷酸二氫銨為主要成分，通過加入聚偏二氟乙烯、四甘醇、聚氧乙烯月桂醚、三羧甲基丙烷縮水甘油醚、椰子油、苯二甲酸酐、三乙醇胺鹽、分散劑、矽烷偶聯劑、膠黏劑，輔以超聲分散、攪拌密煉、惰性氣體環境混煉、噴霧乾燥、物料塗覆電極等工藝，使得製備而成的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料，其性能可靠,導電性能優良、儲電性能好，對環境無汙染，能夠滿足行業的要求，具有較好的應用前景。
（2）本發明的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料原料易得、工藝簡單，適於大規模工業化運用，實用性強。
具體實施方式
下面結合具體實施例對發明的技術方案進行詳細說明。
實施例1
（1）按照重量份稱取石墨烯30份、聚偏二氟乙烯3份、四甘醇5份、聚氧乙烯月桂醚2份、三羧甲基丙烷縮水甘油醚2份、椰子油3份、苯二甲酸酐1份、三乙醇胺鹽4份、氫氧化鋁3份、碳酸鎂4份、草酸2份、磷酸二氫銨1份、N-甲基-2-吡咯烷酮4份、乙烯基三乙氧基矽烷3份、二甲基三苯基甲烷四異氰酸酯3份；
（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於N-甲基-2-吡咯烷酮中，同時加入聚偏二氟乙烯、四甘醇、聚氧乙烯月桂醚、三羧甲基丙烷縮水甘油醚、椰子油、苯二甲酸酐，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為300W，超聲時間為3小時；
（3）將氫氧化鋁、碳酸鎂、草酸、磷酸二氫銨加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速200轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至2.5之間，攪拌時間為30分鐘；
（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙醇胺鹽、乙烯基三乙氧基矽烷、二甲基三苯基甲烷四異氰酸酯，在氮氣氛圍中混煉1小時，轉速250轉/分鐘，反應溫度為560℃，然後冷卻至120℃，得到密煉混合物；
（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為220℃，出風溫度160℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；
（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度520℃，加入物料後降溫至380℃，加壓至1Mpa,同時緩慢充入氮氣保護，塗覆以後的成品在氮氣氛圍中保溫3小時，降至室溫即得成品。
製得的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料測試結果如表1所示。
實施例2
（1）按照重量份稱取石墨烯35份、聚偏二氟乙烯4份、四甘醇7份、聚氧乙烯月桂醚3份、三羧甲基丙烷縮水甘油醚3份、椰子油4份、苯二甲酸酐2份、三乙醇胺鹽5份、氫氧化鋁5份、碳酸鎂6份、草酸3份、磷酸二氫銨1份、十六烷基三甲基溴化銨5份、3-氨丙基三甲氧基矽烷4份、羧甲基纖維素鈉6份；
（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於十六烷基三甲基溴化銨中，同時加入聚偏二氟乙烯、四甘醇、聚氧乙烯月桂醚、三羧甲基丙烷縮水甘油醚、椰子油、苯二甲酸酐，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為350W，超聲時間為4小時；
（3）將氫氧化鋁、碳酸鎂、草酸、磷酸二氫銨加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速250轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至2.7之間，攪拌時間為35分鐘；
（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙醇胺鹽、3-氨丙基三甲氧基矽烷、羧甲基纖維素鈉，在氮氣氛圍中混煉1.5小時，轉速280轉/分鐘，反應溫度為580℃，然後冷卻至120℃，得到密煉混合物；
（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為220℃，出風溫度160℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；
（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度520℃，加入物料後降溫至380℃，加壓至1.3Mpa,同時緩慢充入氮氣保護，塗覆以後的成品在氮氣氛圍中保溫3.5小時，降至室溫即得成品。
製得的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料測試結果如表1所示。
實施例3
（1）按照重量份稱取石墨烯40份、聚偏二氟乙烯5份、四甘醇9份、聚氧乙烯月桂醚4份、三羧甲基丙烷縮水甘油醚4份、椰子油5份、苯二甲酸酐3份、三乙醇胺鹽6份、氫氧化鋁8份、碳酸鎂8份、草酸4份、磷酸二氫銨2份、十二烷基苯磺酸鈉6份、3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基矽烷5份、丁腈-酚醛樹脂7份；
（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於十二烷基苯磺酸鈉中，同時加入聚偏二氟乙烯、四甘醇、聚氧乙烯月桂醚、三羧甲基丙烷縮水甘油醚、椰子油、苯二甲酸酐，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為450W，超聲時間為5小時；
（3）將氫氧化鋁、碳酸鎂、草酸、磷酸二氫銨加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速350轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至2.9之間，攪拌時間為40分鐘；
（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙醇胺鹽、3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基矽烷、丁腈-酚醛樹脂，在氮氣氛圍中混煉2.5小時，轉速310轉/分鐘，反應溫度為600℃，然後冷卻至120℃，得到密煉混合物；
（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為220℃，出風溫度160℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；
（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度520℃，加入物料後降溫至380℃，加壓至1.7Mpa,同時緩慢充入氮氣保護，塗覆以後的成品在氮氣氛圍中保溫4.5小時，降至室溫即得成品。
製得的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料測試結果如表1所示。
實施例4
（1）按照重量份稱取石墨烯45份、聚偏二氟乙烯6份、四甘醇10份、聚氧乙烯月桂醚5份、三羧甲基丙烷縮水甘油醚5份、椰子油6份、苯二甲酸酐4份、三乙醇胺鹽7份、氫氧化鋁9份、碳酸鎂9份、草酸5份、磷酸二氫銨2份、木質素磺酸鈉7份、γ-氨丙基甲基二乙氧基矽烷6份、聚氨酯膠8份；
（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於木質素磺酸鈉中，同時加入聚偏二氟乙烯、四甘醇、聚氧乙烯月桂醚、三羧甲基丙烷縮水甘油醚、椰子油、苯二甲酸酐，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為500W，超聲時間為6小時；
（3）將氫氧化鋁、碳酸鎂、草酸、磷酸二氫銨加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速400轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至3之間，攪拌時間為45分鐘；
（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙醇胺鹽、γ-氨丙基甲基二乙氧基矽烷、聚氨酯膠，在氮氣氛圍中混煉3小時，轉速350轉/分鐘，反應溫度為620℃，然後冷卻至120℃，得到密煉混合物；
（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為220℃，出風溫度160℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；
（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度520℃，加入物料後降溫至380℃，加壓至2Mpa,同時緩慢充入氮氣保護，塗覆以後的成品在氮氣氛圍中保溫5小時，降至室溫即得成品。
製得的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料測試結果如表1所示。
對比例1
（1）按照重量份稱取石墨烯30份、聚偏二氟乙烯3份、聚氧乙烯月桂醚2份、三羧甲基丙烷縮水甘油醚2份、苯二甲酸酐1份、三乙醇胺鹽4份、碳酸鎂4份、草酸2份、磷酸二氫銨1份、N-甲基-2-吡咯烷酮4份、乙烯基三乙氧基矽烷3份、二甲基三苯基甲烷四異氰酸酯3份；
（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於N-甲基-2-吡咯烷酮中，同時加入聚偏二氟乙烯、聚氧乙烯月桂醚、三羧甲基丙烷縮水甘油醚、苯二甲酸酐，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為300W，超聲時間為3小時；
（3）將碳酸鎂、草酸、磷酸二氫銨加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速200轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至2.5之間，攪拌時間為30分鐘；
（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙醇胺鹽、乙烯基三乙氧基矽烷、二甲基三苯基甲烷四異氰酸酯，在氮氣氛圍中混煉1小時，轉速250轉/分鐘，反應溫度為560℃，然後冷卻至120℃，得到密煉混合物；
（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為220℃，出風溫度160℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；
（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度520℃，加入物料後降溫至380℃，加壓至1Mpa,同時緩慢充入氮氣保護，塗覆以後的成品在氮氣氛圍中保溫3小時，降至室溫即得成品。
製得的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料測試結果如表1所示。
對比例2
（1）按照重量份稱取石墨烯45份、聚偏二氟乙烯6份、四甘醇10份、聚氧乙烯月桂醚5份、椰子油6份、苯二甲酸酐4份、三乙醇胺鹽7份、氫氧化鋁9份、碳酸鎂9份、草酸5份、木質素磺酸鈉7份、γ-氨丙基甲基二乙氧基矽烷6份、聚氨酯膠8份；
（2）將石墨烯加入濃硫酸中氧化，得到氧化石墨烯類材料，並經過超聲分散於木質素磺酸鈉中，同時加入聚偏二氟乙烯、四甘醇、聚氧乙烯月桂醚、椰子油、苯二甲酸酐，得到石墨烯懸浮液，超聲功率為500W，超聲時間為6小時；
（3）將氫氧化鋁、碳酸鎂、草酸加入攪拌機中，攪拌均勻，攪拌轉速400轉/分鐘，在攪拌狀態下用0.2mol/L的氨水調節pH值至3之間，攪拌時間為45分鐘；
（4）將步驟（2）的氧化石墨烯材料和步驟（3）的攪拌混合物投入密煉機中，加入三乙醇胺鹽、γ-氨丙基甲基二乙氧基矽烷、聚氨酯膠，在氮氣氛圍中混煉3小時，轉速350轉/分鐘，反應溫度為620℃，然後冷卻至120℃，得到密煉混合物；
（5）將上述密煉混合物注入噴霧乾燥機，乾燥成粉，噴霧乾燥機進風溫度為220℃，出風溫度160℃，恆流泵轉度為84轉/分鐘；
（6）將噴霧乾燥機噴出的物料注入馬弗爐中，均勻塗覆在經過處理的電極上，馬弗爐預設溫度520℃，加入物料後降溫至380℃，加壓至2Mpa,同時緩慢充入氮氣保護，塗覆以後的成品在氮氣氛圍中保溫5小時，降至室溫即得成品。
製得的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料測試結果如表1所示。
將實施例1-4和對比例1-2的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料分別進行放電比容量、內阻、比電容、循環容量保持率這幾項性能測試。
表1
本發明的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料以石墨烯、氫氧化鋁、碳酸鎂、草酸、磷酸二氫銨為主要成分，通過加入聚偏二氟乙烯、四甘醇、聚氧乙烯月桂醚、三羧甲基丙烷縮水甘油醚、椰子油、苯二甲酸酐、三乙醇胺鹽、分散劑、矽烷偶聯劑、膠黏劑，輔以超聲分散、攪拌密煉、惰性氣體環境混煉、噴霧乾燥、物料塗覆電極等工藝，使得製備而成的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料，其性能可靠,導電性能優良、儲電性能好，對環境無汙染，能夠滿足行業的要求，具有較好的應用前景。本發明的儲電性能優良的石墨烯複合電極材料原料易得、工藝簡單，適於大規模工業化運用，實用性強。
以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。