以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器及其制作制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器及其制作。新型結(jié)構(gòu)超級電容器由電極、隔層材料及電解液組成，所述的電極位于隔層材料兩側(cè)，所述的電解液吸附于隔層材料內(nèi)部，所述的電極由石墨烯材料制得，所述的隔層材料為水泥材料，所述的電解液為堿性電解液。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專利技術(shù)的結(jié)構(gòu)超級電容器除了具有電學(xué)性能之外(比電容為10F?g-1)，還具有一定的力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度為9.85MPa)。本發(fā)明專利技術(shù)的結(jié)構(gòu)超級電容器既能獲得較高的比電容，又能保證水泥自身的抗壓能力，可應(yīng)用于建筑儲能等相關(guān)領(lǐng)域，有望實現(xiàn)建筑-儲能結(jié)構(gòu)功能一體化。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器及其制作
本專利技術(shù)涉及一種超級電容器，尤其是涉及一種以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器及其制作。
技術(shù)介紹
近幾十年來，電能的儲存問題一直受到廣泛關(guān)注。各種電池是目前應(yīng)用最多的儲電裝置，但是電池的能量密度小，充放電效率低以及受周圍環(huán)境因素影響較大等各種缺點(diǎn)已經(jīng)無法滿足人們的需要。而超級電容器從誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)歷了30多年的時間。因其使用壽命久、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、高充放電效率、高能量密度這四大顯著特點(diǎn)，使得它成為當(dāng)今世界上最值得研究的課題之一。結(jié)構(gòu)超級電容器與普通的超級電容器有所不同，相較于后者來說，前者除了能夠儲蓄電能之外，其自身還保持著一定機(jī)械性能，使其應(yīng)用更加廣泛。目前，結(jié)構(gòu)超級電容器則多被應(yīng)用于汽車航空航天等領(lǐng)域，而在建筑相關(guān)領(lǐng)域等尚未涉及，由此可見結(jié)構(gòu)超級電容器在未來市場上具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α＝Y(jié)構(gòu)超級電容器的組件至少需要滿足兩個條件：具有結(jié)構(gòu)性的電極材料和結(jié)構(gòu)性的隔層材料。電極材料要求具有高的比表面積，高導(dǎo)電性以及熱力學(xué)和(電)化學(xué)的穩(wěn)定性。目前利用各種碳材料作為超級電容器的研究已經(jīng)相對成熟，例如碳纖維材料因具有高強(qiáng)度和硬度以及具有良好的導(dǎo)電性已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)超級電容器中。但是結(jié)構(gòu)碳纖維的比表面積相對較低，同時工業(yè)上的活性碳纖維的石墨化程度較低而且很難滿足一些特定的要求。而同為碳材料的石墨烯具有高比表面積，高導(dǎo)電，高韌性和高抗壓等特點(diǎn)引起了人們的廣泛關(guān)注。另外根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的比表面積并不像活性碳那樣取決于氣孔的分布情況，而是由其層數(shù)所決定，因此以石墨烯為電極材料對于提高結(jié)構(gòu)功能電容器的電學(xué)和力學(xué)性能具有很大的意義。隔層材料除了要求不能導(dǎo)電之外，還要求具有一定的孔隙率以方便離子可以自由傳輸，并且擁有較高的抗壓等力學(xué)性能。水泥是應(yīng)用建筑中最多的材料，用它作為結(jié)構(gòu)功能電容器的隔層材料便有望實現(xiàn)建筑——儲電結(jié)構(gòu)一體化。然而水泥中較多的孔隙率有利于離子的傳輸卻不利于力學(xué)性能的提高，較少的孔隙率雖然提高了力學(xué)性能，但是卻限制了離子的運(yùn)輸能力。而水泥的水灰比和水化時間又是影響水泥孔結(jié)構(gòu)的重要因素，此二者互為矛盾關(guān)系。因此，探究不同水灰比以及水化時間對水泥超級電容器的電學(xué)性能以及力學(xué)性能具有很大的研究意義。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器及其制作，本專利技術(shù)的結(jié)構(gòu)超級電容器平衡了其電學(xué)性能與力學(xué)性能。本專利技術(shù)的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器，由電極、隔層材料及電解液組成，所述的電極位于隔層材料相對兩側(cè)，所述的電解液吸附于隔層材料內(nèi)部，所述的電極由石墨烯材料制得，所述的隔層材料為水泥材料，所述的電解液為堿性電解液。所述的電極由石墨烯、炭黑、聚四氟乙烯制得，所述的石墨烯、炭黑、聚四氟乙烯的質(zhì)量比為(13-19):(1.5-4.5):1，優(yōu)選為16:3:1。所述的石墨烯表面含有含氧官能團(tuán)，所述的含氧官能團(tuán)主要為羥基和羧基，另外，所述的石墨烯中的C和O的原子數(shù)量比為(7～9):1。適量含氧官能團(tuán)可以使得電極材料具有一定的潤濕性，在超級電容器的后期使用中，可以提高其比電容大小。但是過多的含氧官能團(tuán)一方面會影響電極材料的導(dǎo)電性，另一方面又會引入贗電容的出現(xiàn)。所述的隔層材料為水灰比在0.3～0.5的水泥材料。所述的電解液選自1～5mol/L的KOH、NaCl或KCl等離子溶液。上述以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器的制作方法，包括以下步驟：(1)電極的制作：聚四氟乙烯加入蒸餾水稀釋，然后加入石墨烯與炭黑，所述的石墨烯、炭黑、聚四氟乙烯的質(zhì)量比為(13-19):(1.5-4.5):1，優(yōu)選為16:3:1，并攪拌，將攪拌后的混合液移入烘干箱中進(jìn)行烘干處理，在其未完全干燥之前取出壓制薄片電極，最后將薄片電極放入烘箱中繼續(xù)烘干，直至完全干燥后即制得電極；(2)隔層材料的制作；以水泥作為原料，配制水灰比0.3～0.5的水泥漿體，并將水泥漿體注入模具中成型，再放進(jìn)水泥養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，水泥養(yǎng)護(hù)室的養(yǎng)護(hù)溫度為19～21℃，相對濕度在85～95％，制得隔層材料(3)將隔層材料浸入到電解液中使其完全吸附飽和，并與電極一起組裝得到新型結(jié)構(gòu)超級電容器。對于上述制得的新型結(jié)構(gòu)超級電容器需要進(jìn)行力學(xué)性能與電學(xué)性能的測試。用于測試電學(xué)性能時，隔層材料的模具尺寸為直徑10mm,厚度為1mm的圓環(huán)；而用于力學(xué)抗壓測試時，隔層材料的模具尺寸為40mm*40mm*40mm。電學(xué)性能測試主要為循環(huán)伏安測試(CV)和橫流充放電測試(DC)。在進(jìn)行測試之前需要將水泥隔層浸入電解液中，使其完全飽和。力學(xué)性能測試主要是抗壓測試。每次測試六組樣品，然后取其平均值。抗壓測試使用的是JES-300混凝土抗壓測試機(jī)(中國，無錫)，設(shè)定的加載速度為8.2KN/S。電學(xué)性能測試?yán)玫氖荂HI660C電化學(xué)工作站，循環(huán)伏安測試可以驗證結(jié)構(gòu)超級電容器的循環(huán)情況信息；恒流充放電曲線可以直接獲得樣品的比電容大小。主要參數(shù)設(shè)置為：電流密度為1Ag-1；0.75Ag-1和0.5Ag-1；電勢窗為+0.5V和-0.5V；充放電循環(huán)次數(shù)為3次。傳統(tǒng)的超級電容器只有電學(xué)性能，而沒有力學(xué)性能。而基于石墨烯和水泥材料制備的結(jié)構(gòu)超級電容器除了具有電學(xué)性能之外(比電容為10Fg-1)，還具有一定的力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度為9.85MPa)。本專利技術(shù)的結(jié)構(gòu)超級電容器既能獲得較高的比電容，又能保證水泥自身的抗壓能力，可應(yīng)用于建筑儲能等相關(guān)領(lǐng)域，有望實現(xiàn)建筑-儲能結(jié)構(gòu)功能一體化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：1.由于石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與力學(xué)性能，因此該專利技術(shù)采用高導(dǎo)電石墨烯為結(jié)構(gòu)超級電容器的電極材料。2.水泥是建筑中的重要材料，絕緣不導(dǎo)電且內(nèi)部含有孔隙結(jié)構(gòu)，為離子運(yùn)輸提供了通道。因此本專利技術(shù)首次采用硬化水泥漿體作為結(jié)構(gòu)超級電容器的隔層材料。附圖說明圖1：本專利技術(shù)的新型結(jié)構(gòu)超級電容器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2：結(jié)構(gòu)超級電容器電極材料高導(dǎo)電石墨烯XPS圖；圖3：水灰比為0.3硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級電容器的循環(huán)伏安圖；圖4：水灰比為0.3硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級電容器的恒流充放電圖；圖5：水灰比為0.4硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級電容器的循環(huán)伏安圖；圖6：水灰比為0.4硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級電容器的恒流充放電圖；圖7：水灰比為0.5硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級電容器的循環(huán)伏安圖；圖8：水灰比為0.5硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級電容器的恒流充放電圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例1稱量500g42.5的海螺水泥和150g去離子水進(jìn)行混合攪拌，待充分?jǐn)嚢柚蠓謩e加入到直徑為10mm,厚度為1mm的圓環(huán)模具以及尺寸為40mm*40mm*40mm的正方體模具。24小時之后放進(jìn)水泥養(yǎng)護(hù)室(20℃±1℃，相對濕度大約在90％左右)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。28天之后取出養(yǎng)護(hù)室中的硬化水泥樣品，即得到水泥隔層材料，將水泥隔層材料浸入到1Mol/L的KOH溶液中使其完全飽和。本實施例中，電極的制作方法為：選取聚四氟乙烯5mg，加入適量蒸餾水稀釋。然后加入電極材料石墨烯80mg，炭黑15mg，并且充分?jǐn)嚢瑁瑢嚢韬蟮幕旌弦阂迫牒娓上渲羞M(jìn)行本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器，其特征在于，由電極、隔層材料及電解液組成，所述的電極位于隔層材料兩側(cè)，所述的電解液吸附于隔層材料內(nèi)部，所述的電極由石墨烯材料制得，所述的隔層材料為水泥材料，所述的電解液為堿性電解液。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器，其特征在于，由電極、隔層材料及電解液組成，所述的電極位于隔層材料兩側(cè)，所述的電解液吸附于隔層材料內(nèi)部，所述的電極由石墨烯、炭黑、聚四氟乙烯制得，所述的石墨烯、炭黑、聚四氟乙烯的質(zhì)量比為(13-19):(1.5-4.5):1，所述的石墨烯表面含有含氧官能團(tuán)，所述的含氧官能團(tuán)主要為羥基和羧基，另外，所述的石墨烯中的C和O的原子數(shù)量比為(7～9):1；所述的隔層材料為水泥材料，所述的電解液為堿性電解液。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器，其特征在于，所述的石墨烯、炭黑、聚四氟乙烯的質(zhì)量比為16:3:1。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器，其特征在于，所述的隔層材料為水灰比在0.3～0.5的水泥材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器，其特征在于，所述的電解液選自1～5mol/L的KOH、NaCl或KCl離子溶液。5.一種如權(quán)利要求1～4中任一項所述的以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級電容器的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張東，張駿俊，
申請(專利權(quán))人：同濟(jì)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31