石墨烯在超級電容器中的應(yīng)用

1、石墨烯在超級電容器中的應(yīng)用培養(yǎng)單位：成都有機所前言 本文對超級電容器分別從定義，工作原理，特點和分類做了簡單介紹，然后以南開大學(xué)陳永勝教授的一篇綜述介紹了石墨烯在超級電容器中的應(yīng)用，并做了具體的例證分析。關(guān)鍵詞：超級電容器 石墨烯 修飾石墨烯在儲能領(lǐng)域的發(fā)展史上，大致可以分為第一代機械師儲能，比如飛輪、發(fā)條，第二代化學(xué)式儲能，如鉛酸電池、鎳氫鎳鎘電池以及鋰離子電池等，第三代物理式儲能如超級電容器。超級電容器其實在我們生活中無處不在，如交通領(lǐng)域，在火車、巴士、汽車、卡車，能源領(lǐng)域，如新能源、風(fēng)能和太陽能、電網(wǎng)削峰填谷、能量回收，工業(yè)領(lǐng)域，如起重機、閥門、挖掘機以及一些重型設(shè)備等，在電子領(lǐng)域，如硬

2、盤、存儲器和后備電源。超級電容器已經(jīng)是我們生活中必不可少的一部分，它在我們的社會中扮演著一個必不可少的角色，所以我們有必要深入地去了解一下什么是超級電容器。超級電容器（supercapacitors），又稱為電化學(xué)電容器（ECs）。是一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能元件。它是一種功率型的儲能器件，通過電極材料與電解液界面形成雙電層，或電極表面快速的氧化還原反應(yīng)來儲存電能。主要包括：電極材料、集流體、電解液和隔膜，原理圖如下：超級電容器有如下特點：（1）超高比容量（0.1-6000F）。比傳統(tǒng)電容器同體積電容量大2000-6000倍。（2）充電速度快，只要充電幾十秒到幾分鐘就可達到其額定容

3、量的95%以上；而現(xiàn)在使用較多的鉛酸電池、鋰離子電池等充電通常需要幾個小時。 （3）超長壽命，充放電大于 40萬次。 （4）大電流放電能力超強，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率90%； （5）溫度范圍寬：40 +70，一般電池是20 +60。 （6）免維護，環(huán)境友善。 它和我們常見的化學(xué)式儲能的電池相比，以及和傳統(tǒng)電容器在功率密度和能量密度上的比較如下圖所示：超級電容器按機理可以分為兩類：一類是雙電層電容，依靠物理過程形成雙電層來儲存電荷；第二類是法拉第贗電容（法拉第準(zhǔn)電容），它依靠高度可逆的吸脫附或者快速可逆的氧化還原反應(yīng)來存儲電荷。石墨烯能夠應(yīng)用與超級電容器主要是因為有以下特

4、點: 與傳統(tǒng)的多孔碳材料相比，石墨烯： （1）具有非常高的電導(dǎo)率（104106S/m） （2）非常大的比表面積（2675m2/g） （3）楊氏模量（1TPa） （4）斷裂強度（130GPa） 缺點：石墨烯層間易堆積，降低了比表面積，同時也阻礙了電解液進入電極表面。 本文將從石墨烯層狀薄膜的制備，石墨烯電極材料的改性和復(fù)合三個方面來進行闡述。（1）石墨烯層狀薄膜的制備此方法為氧化還原法，在實際中應(yīng)用的最多，主要有一下幾點原因：（1）GO易于制備，大規(guī)模、低成本； （2）GO表面引入的含氧官能團使得其容易在水溶液中被化學(xué)修飾； （3）GO rGO的途徑多。（2）石墨烯電極材料的改性插層石墨烯在這篇

5、文獻中，作者將Pt納米粒子與石墨烯復(fù)合， Pt納米粒子黏附在石墨烯片層上， 隔離了石墨烯片層面對面的堆疊，進而使之形成機械固定。原理如圖所示：比表面積：862m2/g比容量 ：14 F/g269 F/g保留含氧基團在制備還原氧化石墨烯的過程中，一般在第二步都會用較強的還原劑如水合肼、硼氫化鈉、氫氣等，但在本文中，作者提出用較弱的還原劑保留一部分氧化石墨烯中的含氧官能團，使得RGO具有有一些優(yōu)異性能。原理如下：形成3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 在這篇文獻中，作者通過微波剝離氧化石墨烯得到微波剝離的氧化石墨烯，然后用KOH進行活化處理，經(jīng)過洗滌、干燥、退火，最后得到了活化的微波剝離的氧化石墨烯，用于電極材料，得到

6、了比表面積為3100 m2/g，具有高度卷曲的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主要孔徑為0.65nm。（2）石墨烯電極材料的復(fù)合石墨烯與贗電容電極材料復(fù)合一些贗電容材料如：過渡金屬氧化物、貴金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物，在這篇文獻中，作者用聚苯胺（PANI）作為贗電容材料，在石墨烯表面原位合成了如圖結(jié)構(gòu)：得到了在0.2A/g的電流密度下，555 F/g的比容量，即使在2A/g的電流密度下，比容量依然能夠保持在227F/g。而且循環(huán)2000次后，容量保持率依然能夠達到92%。石墨烯與碳納米管復(fù)合CNTs因為其高的比表面積和導(dǎo)電率在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，日本物質(zhì)材料研究機構(gòu)通過在石墨烯中添加CNTs來制作電極，是電極材料的功率和能量密度達到了很高的水平，他們發(fā)現(xiàn)，在石墨烯中添加CNTs后，CNTs會自組地進入石墨烯中，增加了電子和離子的密度，導(dǎo)電方式如圖所示。未來發(fā)展方向（1） 柔性石墨烯超級電容器；（2）復(fù)合型石墨烯超級電容器；（3）超電容與電池形成混合動力系統(tǒng)，以彌補兩者在能量密度和