以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器及其的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超級(jí)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(jí)電容器及其制作。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來(lái)，電能的儲(chǔ)存問(wèn)題一直受到廣泛關(guān)注。各種電池是目前應(yīng)用最多的儲(chǔ)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(wú)法滿足人們的需要。而超級(jí)電容器從誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)歷了 30多年的時(shí)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。
[0003]結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器與普通的超級(jí)電容器有所不同，相較于后者來(lái)說(shuō)，前者除了能夠儲(chǔ)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(jí)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(jiàn)結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器在未來(lái)市場(chǎng)上具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的組件至少需要滿足兩個(gè)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。
[0004]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(jí)電容器的研究已經(jīng)相對(duì)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(jí)電容器中。但是結(jié)構(gòu)碳纖維的比表面積相對(duì)較低，同時(shí)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稀具有尚比表面積，尚導(dǎo)電，尚初性和尚抗壓等特點(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(duì)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。
[0005]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(shí)現(xiàn)建筑一一儲(chǔ)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(shí)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(shí)間對(duì)水泥超級(jí)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明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(jí)電容器及其制作，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器平衡了其電學(xué)性能與力學(xué)性能。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0008]—種以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級(jí)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(duì)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。
[0009]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。
[0010]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0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(rùn)濕性，在超級(jí)電容器的后期使用中，可以提高其比電容大小。但是過(guò)多的含氧官能團(tuán)一方面會(huì)影響電極材料的導(dǎo)電性，另一方面又會(huì)引入贗電容的出現(xiàn)。
[0011]所述的隔層材料為水灰比在0.3?0.5的水泥材料。
[0012]所述的電解液選自1?5mol/L的KOH、NaCl或KC1等離子溶液。
[0013]上述以石墨烯和水泥為材料的新型結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的制造方法，包括以下步驟:
[0014](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；
[0015](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 °C，相對(duì)濕度在85?95 %，制得隔層材料
[0016](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(jí)電容器。
[0017]對(duì)于上述制得的新型結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器需要進(jìn)行力學(xué)性能與電學(xué)性能的測(cè)試。
[0018]用于測(cè)試電學(xué)性能時(shí)，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(cè)試時(shí)，隔層材料的模具尺寸為40mm*40mm*40mm。
[0019]電學(xué)性能測(cè)試主要為循環(huán)伏安測(cè)試(CV)和橫流充放電測(cè)試(DC)。在進(jìn)行測(cè)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(cè)試主要是抗壓測(cè)試。每次測(cè)試六組樣品，然后取其平均值。
[0020]抗壓測(cè)試使用的是JES-300混凝土抗壓測(cè)試機(jī)(中國(guó)，無(wú)錫)，設(shè)定的加載速度為8.2KN/S。電學(xué)性能測(cè)試?yán)玫氖荂HI 660C電化學(xué)工作站，循環(huán)伏安測(cè)試可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)超級(jí)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1A gS0.75A g 1和0.5A g S電勢(shì)窗為+0.5V和-0.5V ;充放電循環(huán)次數(shù)為3次。
[0021]傳統(tǒng)的超級(jí)電容器只有電學(xué)性能，而沒(méi)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(jí)電容器除了具有電學(xué)性能之外(比電容為10F g1)，還具有一定的力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度為9.85MPa)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)超級(jí)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(chǔ)能等相關(guān)領(lǐng)域，有望實(shí)現(xiàn)建筑-儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)功能一體化。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0023]1.由于石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與力學(xué)性能，因此該發(fā)明采用高導(dǎo)電石墨烯為結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的電極材料。
[0024]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。因此本發(fā)明首次采用硬化水泥漿體作為結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的隔層材料。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1:本發(fā)明的新型結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2:結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器電極材料高導(dǎo)電石墨烯XPS圖；
[0027]圖3:水灰比為0.3硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的循環(huán)伏安圖；
[0028]圖4:水灰比為0.3硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的恒流充放電圖；
[0029]圖5:水灰比為0.4硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的循環(huán)伏安圖；
[0030]圖6:水灰比為0.4硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的恒流充放電圖；
[0031]圖7:水灰比為0.5硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的循環(huán)伏安圖；
[0032]圖8:水灰比為0.5硬化水泥漿體組裝結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器的恒流充放電圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0034]實(shí)施例1
[0035]稱量500g 42.5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(shí)之后放進(jìn)水泥養(yǎng)護(hù)室(20°C ±1°C，相對(duì)濕度大約在90%左右)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
[0036]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IMol/L的Κ0Η溶液中使其完全飽和。
[0037]本實(shí)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稀80mg，炭黑15mg，并且充分?jǐn)嚢?，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。
[0038]本實(shí)施例中使用的石墨稀XPS圖如圖2所不，為表面有含氧官能團(tuán)的石