超級電容器用石墨烯基電極材料的制備及性能研究解析

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、循環壽命長等優勢，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辦法及其性能特點，對于其存在的問題和將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使用場合，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范疇的研究焦點。

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。

大量的研究聲明，為了實現高性能EDLC，非得處理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使用[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，依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辦法

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方法，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)作為電極材料使用到了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)依然使得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依然有較大的優化空間，因此，這種材料使用在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，但如果筆直還原，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依然存在團聚現象，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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