用石墨烯制作超級電容器的電極材料

  超級電容器作為一種大功率的儲能器件,,具有原理與結(jié)構(gòu)簡單,、安全可靠,、適用范圍廣、功率密度大,、充放電速度快,、充放電循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬,、環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn),,被認(rèn)為是能量儲存領(lǐng)域的一項革命性發(fā)展。超級電容器的電極材料是超級電容器性能好壞的決定性因素,,直接關(guān)系到超級電容器的比電容量,、能量密度、功率密度等性能參數(shù),。作為超級電容器的電極材料必須滿足一系列要求:

  (1)有較大的比表面積,。
  (2)在超級電容器使用條件下要有足夠高的化學(xué)穩(wěn)定性和充放電重復(fù)循環(huán)能力,從而保證超級電容器的使用壽命,。
  (3)在電解液中具有優(yōu)良的浸潤性,,與電解液和集流體有較小的接觸電阻,以減小超級電容器的電化學(xué)阻抗,。

  石墨烯是由sp2雜化的碳原子緊密排列而成的蜂窩狀的晶體結(jié)構(gòu),,具有良好的導(dǎo)電性和大的比表面積(理論比表面積為2360m2/g),,因此成為目前研究最為廣泛的一種超級電容器電極材料,。據(jù)報道,把氧化石墨烯片層噴墨打印在Ti箔集流體上,,在N2環(huán)境下200°C熱還原得到噴墨打印石墨烯,,作為超級電容電極材料,以1mol/L硫酸溶液為電解液,,可獲得48至132F/g的比電容量,,循環(huán)穩(wěn)定性良好。采用模板法,,如以聚苯乙烯微球?yàn)槟0?,可制備出直徑?00nm的中空石墨烯球。這種特殊結(jié)構(gòu)更容易吸收電解液離子,,作為超級電容電極材料,,在電流密度為0.5A/g時,比電容量達(dá)到273F/g,;即使在大電流密度10A/g時比電容量也達(dá)到197F/g,,且在此電流密度下循環(huán)5000次,,比電容量保持率為95%。如以具有褶皺且團(tuán)聚的三維介孔結(jié)構(gòu)(孔徑為幾十納米)的石墨烯作為超級電容器電極材料,,則可表現(xiàn)出更好的超級電容器電化學(xué)性能,,在堿性水系電解液中比電容量達(dá)到341F/g,能量密度為16.2Wh/kg,,循環(huán)1000次以后容量保持率為96%,;在有機(jī)電解液中能量密度可達(dá)52.5Wh/kg,容量保持率為96%,。

  將石墨烯與過渡金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔镞M(jìn)行二元或三元復(fù)合,,如石墨烯/聚苯胺,石墨烯/碳納米管/MnO2等,,得到形貌各異,,結(jié)構(gòu)合理的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料利用了各自的優(yōu)點(diǎn)同時又克服各自的缺點(diǎn),,能夠?qū)崿F(xiàn)材料性能和成本的合理平衡,,并且具有單一電極材料所不具備的優(yōu)良性能,發(fā)揮材料的協(xié)同效應(yīng),。例如,,將石墨烯作為支撐骨架,與金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔镞M(jìn)行復(fù)合,,形成多維結(jié)構(gòu)的材料,。導(dǎo)電性優(yōu)異的石墨烯能夠使金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锞鶆蚍稚⒃谄涔羌苤校┢鸬搅擞行У膶?dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用,,增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性,,克服了導(dǎo)電聚合物或金屬氧化物循環(huán)壽命短、可逆性差等缺點(diǎn),;而金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔镱w??梢苑乐故┢瑢又g的完全接觸團(tuán)聚,從而防止石墨烯比表面積下降,,同時也為它們提供了較高的贗電容來提高復(fù)合電極材料的比電容量和能量密度,。