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石墨烯电极及超级电容器的制备方法[发明专利]

一、背景技术

(1)超级电容器作为一种新型的电化学储能装置，因其高功率密度、长循环寿命和良好的环境适应性等优点，在电力电子、能源存储、电动汽车等领域具有广泛的应用前景。然而，传统的电极材料如活性炭等存在比电容较低、离子传输速率慢等问题，限制了超级电容器的性能提升。石墨烯作为一种新型二维材料，具有优异的导电性、高比表面积和良好的化学稳定性，被认为是提升超级电容器性能的理想电极材料。

(2)石墨烯电极的制备方法对其性能具有决定性影响。目前，常见的石墨烯电极制备方法主要包括机械剥离法、氧化还原法制备、化学气相沉积法等。机械剥离法虽然能制备出高质量的石墨烯，但成本较高且产量有限；氧化还原法制备方法操作简单，但制备的石墨烯层间距较大，影响电容器的比电容；化学气相沉积法可以制备大面积的石墨烯，但工艺复杂，对设备要求较高。因此，研究低成本、高效、可控的石墨烯电极制备方法对于提升超级电容器的整体性能具有重要意义。

(3)随着石墨烯制备技术的不断进步，研究者们尝试将石墨烯与其他材料复合，以提高电极的比电容和离子传输速率。例如，将石墨烯与导电聚合物复合，利用导电聚合物的形变特性，增强电极的机械稳定性和导电性；将石墨烯与金属氧化物复合，提高电极的比电容和循环稳定性。此外，通过优化石墨烯的微观结构，如调控石墨烯的厚度、形貌等，也可以显著改善电极的性能。然而，这些复合材料的制备和性能优化仍然面临诸多挑战，如材料的分散性、界面结合强度、电解液稳定性等，需要进一步深入研究。

二、发明内容

(1)本发明提供了一种石墨烯电极的制备方法，该方法采用了一种新型的溶剂热法，通过在特定溶剂中加热石墨烯前驱体，实现石墨烯的快速生长。该方法制备的石墨烯电极具有优异的导电性，其电阻率可降至0.001Ω·cm以下，比传统方法制备的石墨烯电极电阻率降低了50%。以本发明制备的石墨烯电极作为超级电容器的电极材料，其比电容可达到500F/g，远高于传统活性炭电极的比电容（约100F/g）。

(2)本发明进一步提供了一种超级电容器的制备方法，该方法利用上述石墨烯电极作为电极材料，通过优化电解液组成和电极结构设计，显著提高了超级电容器的能量密度和功率密度。具体而言，电解液采用了一种新型有机电解液，其离子电导率高达0.1S/cm，比传统电解液提高了30%。采用本发明制备的超级电容器在1A/g的电流密度下，能量密度可达120Wh/kg，功率密度可达10kW/kg，均优于现有技术。

(3)本发明还提供了一种基于石墨烯电极的超级电容器在实际应用中的案例。在某电动汽车项目中，采用本发明制备的超级电容器作为动力电池的辅助电源，有效提高了电动汽车的续航里程。测试结果显示，与传统动力电池相比，搭载本发明超级电容器的电动汽车续航里程提高了20%，同时充电时间缩短了30%。此外，本发明超级电容器在电动汽车的再生制动系统中也表现出优异的性能，有效提高了制动效率。

三、实施方式

(1)实施本发明的方法首先选取高质量的石墨烯前驱体，如氧化石墨烯，将其与适量的溶剂（如乙醇）混合，形成均匀的溶液。将溶液倒入反应釜中，加入一定量的金属盐（如FeCl3）作为催化剂，并控制反应温度在100-150°C之间，反应时间为2-4小时。在此过程中，通过加热和搅拌，实现氧化石墨烯的还原和石墨烯的快速生长。反应结束后，将得到的石墨烯悬浮液进行过滤和洗涤，以去除未反应的催化剂和杂质。

(2)制备出的石墨烯粉末经过干燥和研磨后，与导电聚合物（如聚苯胺）进行复合，以增强电极的导电性和机械稳定性。具体操作为，将石墨烯粉末与导电聚合物溶液混合，搅拌至形成均匀的浆料。然后将浆料涂覆在集流体上，通过热压和干燥工艺，形成厚度约为100μm的复合电极。制备出的复合电极在室温下进行真空干燥，以去除残留的溶剂和水分。

(3)将制备好的石墨烯复合电极组装成超级电容器，选择适当的电解液（如1MLiPF6/EC:DMC，体积比为1:1）和隔膜。电解液配置后，通过电化学工作站对组装好的超级电容器进行循环伏安测试和恒电流充放电测试。测试结果显示，该超级电容器的比电容可达500F/g，循环寿命超过10000次，容量保持率超过90%。在实际应用中，该超级电容器在电动汽车的再生制动系统中表现出良好的性能，能够有效提高制动效率，降低能耗。

四、附图说明

(1)图1展示了本发明制备的石墨烯复合电极的微观形貌。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，可以发现石墨烯片层厚度均匀，尺寸约为10-20μm，且具有良好的分散性。图2中的透射电子显微镜（TEM）图像进一步揭示了石墨烯的晶体结构，其晶面间距为0.34nm，与石墨烯的标准晶面间距一致。这些数据表明，本发明制备的石墨烯具有高纯度和高质量，适合作为超