石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用資料

1、石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用姓名：鄧邦為 學(xué)號(hào) 培養(yǎng)單位：成都有機(jī)所前言 本文對(duì)超級(jí)電容器分別從定義， 工作原理， 特點(diǎn)和分類(lèi)做了簡(jiǎn) 單介紹，然后以南開(kāi)大學(xué)陳永勝教授的一篇綜述介紹了石墨烯在超級(jí) 電容器中的應(yīng)用，并做了具體的例證分析。關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器 石墨烯 修飾石墨烯在儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展史上， 大致可以分為第一代機(jī)械師儲(chǔ)能， 比如 飛輪、發(fā)條，第二代化學(xué)式儲(chǔ)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(chǔ)能如超級(jí)電容器。 超級(jí)電容器其實(shí)在我 們生活中無(wú)處不在，如交通領(lǐng)域，在火車(chē)、巴士、汽車(chē)、卡車(chē)，能源 領(lǐng)域，如新能源、風(fēng)能和太陽(yáng)能、電網(wǎng)削峰填谷、能量回收，工業(yè)領(lǐng) 域，如起重機(jī)、閥

2、門(mén)、挖掘機(jī)以及一些重型設(shè)備等，在電子領(lǐng)域，如 硬盤(pán)、存儲(chǔ)器和后備電源。 超級(jí)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(huì)中扮演著一個(gè)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(jí)電容器。超級(jí)電容器(supercapacitors),又稱(chēng)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(chǔ)能元件。 它是一種功率型的 儲(chǔ)能器件, 通過(guò)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(lái)儲(chǔ)存電能。主要包括：電極材料、集流體、電解液j 1-集流體舉隔 膜1集 流 體和隔膜，原理圖如下:超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器有如下特點(diǎn)：（1）超高比容量（0.1-

3、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(dá)到其額定容量的 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(gè)小時(shí)。（3）超長(zhǎng)壽命，充放電大于40萬(wàn)次。（4）大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高， 過(guò)程損失小，大電流能量循環(huán)效率90%; （5）溫度范圍寬：-40+70C, 般電池是-20 +60C。（6）免維護(hù)，環(huán)境友善。它和我們常見(jiàn)的化學(xué)式儲(chǔ)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:0 1 Hr0.1 Hr36 wc3 6 Mr：36 ms2. AcUrt plvb slu陽(yáng)辟悅出

4、r白 deibitrpuwer tkusity on d hg-lu cuvrdiiidlesystem, with dhcharge times 他卩resei就ed as diagonals. Amonf other tilings, it's han1 for coinpar-rics nnd ultrawpacitors.超級(jí)電容器按機(jī)理可以分為兩類(lèi)： 一類(lèi)是雙電層電容，依靠物理 過(guò)程形成雙電層來(lái)儲(chǔ)存電荷；第二類(lèi)是法拉第贋電容（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(lái)存儲(chǔ)電荷。石墨烯能夠應(yīng)用與超級(jí)電容器主要是因?yàn)橛幸韵绿攸c(diǎn)：與傳統(tǒng)的多孔碳材料相比，石

5、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（仃pa（4）斷裂強(qiáng)度（130GPa缺點(diǎn)：石墨烯層間易堆積，降低了比表面積，同時(shí)也阻礙了電解液進(jìn) 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(gè)方面來(lái)進(jìn)行闡述。（1）石墨烯層狀薄膜的制備石墨 旦纟 氧化石墨烯 戛區(qū)*還原氧化石墨烯(GO )(rGO )此方法為氧化還原法，在實(shí)際中應(yīng)用的最多，主要有一下幾點(diǎn)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(tuán)使得其容易在水溶液中被化學(xué)修飾；（3） GO I rGO的途徑多(2)石墨烯電極材

6、料的改性.石墨烯電極材料的改性1解樗集1制造多孔T b1插層石墨烯 保留含氧基團(tuán) 形成3 D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)插層石墨烯在這篇文獻(xiàn)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(duì)面的堆疊，進(jìn)而使之形成機(jī)械固定。原理如圖所示：比表面積：862m2/gT 2 PP. : 石趣烘ii：茉前子的牛我*1叭丫：改疋廠”心代雌269 F/g保留含氧基團(tuán)在制備還原氧化石墨烯的過(guò)程中，一般在第二步都會(huì)用較強(qiáng)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(tuán)，使得RGO具有有一些優(yōu)異性能。原理如下：還原戢化蒼噩烯(GO )形

7、成3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過(guò)址石塞*微波址理KOH洶化恍葆，+燥退火.話化的做波(rGO )3餐，：；K()H活化得到孑孔的石蚤供在這篇文獻(xiàn)中,作者通過(guò)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(jìn)行活化處理，經(jīng)過(guò)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0.65 nm。(2)石墨烯電極材料的復(fù)合石鯽電極材料的復(fù)合與鷹電容電極材料復(fù)合與其他材料復(fù)合，如CNTs ,氮摻雜石墨烯與贋電容電極材料復(fù)合何櫛)一些贋電容材料如：過(guò)渡金屬氧化物、貴金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物，在這篇文獻(xiàn)中，作者用聚苯胺（P

8、AN）作為贋電容材料，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(dá)到92%。石墨烯與碳納米管復(fù)合CNTs因?yàn)槠涓叩谋缺砻娣e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(jī)構(gòu)通過(guò)在石墨烯中添加 CNTs來(lái)制作電極，是電極材 料的功率和能量密度達(dá)到了很高的水平，他們發(fā)現(xiàn)，在石墨烯中添加CNTs后，CNTs會(huì)自組地進(jìn)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。單位質(zhì)量輸出功率15&5KW/ Kg單位質(zhì)量能量密度：62.8Wh/ Kg ;是單純碳活性電極的10倍離子液體為電解液時(shí) 能量密度：155.6Wh/ Kg未來(lái)發(fā)展方向（1） 柔性石墨烯超級(jí)電容器； （2）復(fù)合型石墨烯超級(jí)電容器； （3） 超電容