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超級電容器用石墨烯基電極材料的制備及性能研究介紹

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年09月06日  

摘要:同傳統二次電池相比,超級電容器具有功率密度高、充放電速度快、循環壽命長等優點,是一種新型高效的儲能裝置,提升其能量密度是目前主要的研究方向。石墨烯作為一種新型二維碳材料,具有電導率高、比表面積大、化學穩定性強等優異特點,是超級電容器的理想電極材料。綜述了近幾年石墨烯基電極材料的制備方法及其性能特點,對于其存在的問題和未來的發展趨勢作了簡單的闡述。


阮殿波,陳寬,傅冠生,于智強


(寧波南車新能源科技有限公司,浙江寧波315112)


1.引言


石墨烯,一種單原子層厚度的二維sp2雜化碳材料,是碳的其它維數的同素異形體的基本構造單元。受其特殊結構的影響,石墨烯擁有一系列優異的物化特性:高斷裂強度(125GPa);高速載流子遷移率(2×105cm2V-1s-1)和熱導率(5000Wm-1K-1);超大比表面積(2630m2/g)[1]。這些突出的、吸引人的特征使得這種多功能的碳材料可以適用多種實際應用場合,其中,利用石墨烯作為超級電容器[2-4]電極已成為清潔能源領域的研究焦點。


基于現代社會的需求和能源危機的考慮,尋找新型、廉價、環保、高效的儲能系統的呼聲與日俱增。在這種大環境下,超級電容器[5]因為其額定容量高、可作為脈沖功率電源、循環壽命長、工作原理簡單、維護費用低而成為一種備選儲能裝置。超級電容器循環壽命長,可以在高功率密度下實現快速充放電,彌補了蓄電池在這方面的缺陷。


大量的研究表明,為了實現高性能EDLC,必須解決碳材料的幾個關鍵因素:材料的比表面積、電導率、微孔直徑和分布。


大多數情況下,介孔碳材料能夠擁有大的比表面積,但偏低的電導率限制了其在高功率密度超級電容器方面的應用[6]。碳納米管雖然擁有高的電導率和大的比表面積,但因為電極和集流體之間的接觸電阻影響,仍然無法滿足性能需求[7-9]。此外,碳納米管的純度和價格也是制約因素。幸運的是,石墨烯的出現為超級電容器電極材料提供了新的選擇余地。


2.石墨烯基電極材料的制備方法


2.1化學還原氧化石墨烯法


為了獲得石墨烯基材料,人們發明了一種簡單通用的辦法,即向氧化石墨烯懸浮液中添加還原劑(如水合肼)來還原氧化石墨烯。Ruoff[10]等人將這種化學修飾的石墨烯(CMG)作為電極材料應用到了EDLC上,首次開發出了石墨烯基雙電層電容器。雖然在還原過程中,單片層石墨烯部分團聚成直徑約為15-25μm的球形顆粒,但這種石墨烯基材料相對較高的比表面積(750m2/g)仍然使得CMG電極擁有較高的電化學性能。以CMG作為電極,在水相和有機相電解質中獲得的比容量值分別高達135F/g和99F/g,當增大掃描電壓速率時,比容量值變動范圍并不大,這和CMG的高電導率(200S/m)有關。CMG的比表面積和電導率仍然有較大的優化空間,因此,這種材料應用在EDLC超級電容上非常有前景。


雖然氧化石墨烯能在水溶液中穩定分散成單片層,但如果直接還原,會導致不可逆的沉降團聚[11],最終的還原產物和顆粒狀石墨片晶沒有多大區別,比表面積都很低。為了避免石墨烯的不可逆堆疊,Chen[12]等人開發了一種氣固還原法來制備石墨烯基材料(GBM),并且用其作為電極組裝成超級電容器。雖然這種石墨烯看上去仍然存在團聚現象,但團聚程度要比水溶液中還原得到的石墨烯低的多[10]。這些褶皺片層緊密的互相連接,形成一個連續的導電網絡。因此,從形態學結構上來看,電解液離子和電極之間會有更好的接觸性。和電容器中使用的傳統的碳材料不同的是,在這種結構中,電解液不僅可以滲透到固體的外部空間,同時也可以進入內部空間。這樣,石墨烯的寬闊的兩面都可以暴露在電解液中,提高了電容值。


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