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超级电容器用石墨烯基电极材料的制备及性能研究

2016-09-05 10:29
棒棒书香
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  摘要:同传统二次电池相比,超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点,是一种新型高效的储能装置,提升其能量密度是目前主要的研究方向。石墨烯作为一种新型二维碳材料,具有电导率高、比表面积大、化学稳定性强等优异特点,是超级电容器的理想电极材料。综述了近几年石墨烯基电极材料的制备方法及其性能特点,对于其存在的问题和未来的发展趋势作了简单的阐述。

  阮殿波,陈宽,傅冠生,于智强

  (宁波南车新能源科技有限公司,浙江宁波315112)

  1.引言

  石墨烯,一种单原子层厚度的二维sp2杂化碳材料,是碳的其它维数的同素异形体的基本构造单元。受其特殊结构的影响,石墨烯拥有一系列优异的物化特性:高断裂强度(125GPa);高速载流子迁移率(2×105cm2V-1s-1)和热导率(5000Wm-1K-1);超大比表面积(2630m2/g)[1]。这些突出的、吸引人的特征使得这种多功能的碳材料可以适用多种实际应用场合,其中,利用石墨烯作为超级电容器[2-4]电极已成为清洁能源领域的研究焦点。

  基于现代社会的需求和能源危机的考虑,寻找新型、廉价、环保、高效的储能系统的呼声与日俱增。在这种大环境下,超级电容器[5]因为其额定容量高、可作为脉冲功率电源、循环寿命长、工作原理简单、维护费用低而成为一种备选储能装置。超级电容器循环寿命长,可以在高功率密度下实现快速充放电,弥补了蓄电池在这方面的缺陷。

  大量的研究表明,为了实现高性能EDLC,必须解决碳材料的几个关键因素:材料的比表面积、电导率、微孔直径和分布。

  大多数情况下,介孔碳材料能够拥有大的比表面积,但偏低的电导率限制了其在高功率密度超级电容器方面的应用[6]。碳纳米管虽然拥有高的电导率和大的比表面积,但因为电极和集流体之间的接触电阻影响,仍然无法满足性能需求[7-9]。此外,碳纳米管的纯度和价格也是制约因素。幸运的是,石墨烯的出现为超级电容器电极材料提供了新的选择余地。

  2.石墨烯基电极材料的制备方法

  2.1化学还原氧化石墨烯法

  为了获得石墨烯基材料,人们发明了一种简单通用的办法,即向氧化石墨烯悬浮液中添加还原剂(如水合肼)来还原氧化石墨烯。Ruoff[10]等人将这种化学修饰的石墨烯(CMG)作为电极材料应用到了EDLC上,首次开发出了石墨烯基双电层电容器。虽然在还原过程中,单片层石墨烯部分团聚成直径约为15-25μm的球形颗粒,但这种石墨烯基材料相对较高的比表面积(750m2/g)仍然使得CMG电极拥有较高的电化学性能。以CMG作为电极,在水相和有机相电解质中获得的比容量值分别高达135F/g和99F/g,当增大扫描电压速率时,比容量值变动范围并不大,这和CMG的高电导率(200S/m)有关。CMG的比表面积和电导率仍然有较大的优化空间,因此,这种材料应用在EDLC超级电容上非常有前景。

  虽然氧化石墨烯能在水溶液中稳定分散成单片层,但如果直接还原,会导致不可逆的沉降团聚[11],最终的还原产物和颗粒状石墨片晶没有多大区别,比表面积都很低。为了避免石墨烯的不可逆堆叠,Chen[12]等人开发了一种气固还原法来制备石墨烯基材料(GBM),并且用其作为电极组装成超级电容器。虽然这种石墨烯看上去仍然存在团聚现象,但团聚程度要比水溶液中还原得到的石墨烯低的多[10]。这些褶皱片层紧密的互相连接,形成一个连续的导电网络。因此,从形态学结构上来看,电解液离子和电极之间会有更好的接触性。和电容器中使用的传统的碳材料不同的是,在这种结构中,电解液不仅可以渗透到固体的外部空间,同时也可以进入内部空间。这样,石墨烯的宽阔的两面都可以暴露在电解液中,提高了电容值。

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