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        石墨烯VS碳納米管—炭材料在超級電容器中的應用發布時間:2016/8/25?|?來源:中國博廣電氣科技有限公司

        近些年來,作為能源存儲設備的一種,超級電容器由于具有高的功率密度、超長的循環壽命以及能夠結合傳統的電容器(具有很高的輸出功率)和電池/燃料電池(具有高的能量密度)的一些優點,受到越來越多的關注。

        目前,超級電容器越來越多地應用于混合動力電動車、大型工業設備、記憶備份設備以及可再生能源發電廠等領域。近年來,超級電容器無論是在理論方面還是在實際應用方面都有了較大的進展。如圖1 所示,可以看到多種能量轉換和存儲裝置中,超級電容器在高功率密度應用方面扮演了一個重要的角色,但其能量密度方面的不足仍成為目前限制其廣泛應用的關鍵問題。


        超級電容器電極材料一個最顯著的特點是具有大的比表面積,這是因為無論是雙電層電容器還是法拉第超級電容器,其存儲電荷都是在材料的表面,比表面積越大,其所能存儲的電荷就越多,容量就越大。通過將傳統結構的電極材料向納米結構進行轉變使電化學超級電容器有了很大的進展。

        納米結構所具有的超大的比表面積對提高電極材料的利用率有很顯著的作用,從而有效提高了電極的性能。許多種納米炭材料已經被用做超級電容器的電極材料。納米炭材料很容易通過一些相對簡單的合成過程獲得,且大多數的炭材料環境友好、成本較低。

        大多數的炭材料都擁有較好的導電性與穩定性,從而使得炭材料作為超級電容器的電極材料具有比其它電極材料更長的使用壽命。目前大多數的雙電層電容器都用高比表面積的多孔炭材料作為其電極活性材料,多孔炭材料是超級電容器傳統的電極材料,由于它的低成本和原料豐富等優點,至今仍然受到人們的關注。很多有機材料都是可以用來生產炭材料的自然資源,如食物殘渣。近年來,新型碳納米管和石墨烯在超級電容器中的應用研究已經得到快速發展。

        碳納米管(CNTs)在超級電容器中的應用


        作為典型的一維結構,碳納米管具有突出的力學性能、電性能、熱性能和光學性能。碳納米管能夠承受的電流密度高達109 A/cm2,是貴金屬的1000 倍。此外,單根碳納米管的熱導率可達3500 W/(m˙K)。碳納米管分為單壁碳納米管和多壁碳納米管,它們都被廣泛地用作儲能的電極材料,尤其是其作為超級電容器的電極材料的研究取得了較好的進展。圖2 展示了不同的碳納米管的原子結構。

        Niu 等將具有430m2/g 的比表面積的多壁碳納米管作為超級電容器電極材料進行研究。結果表明,在酸性電解液中,比容量達到102 F/g,同時功率密度可以達到8 kW/kg。最近的研究顯示,混亂排列的碳納米管因為不規則的孔結構和混亂的排列使得它在促進離子快速運輸方面的效率比整齊排列的碳納米管低。因此,就功率性能而言,整齊排列的碳納米管似乎具有更多的優勢。


        最近,Kang 等提出了一種碳納米管的宏觀形態的設計方法,合成了碳納米管球。這些碳納米管球的直徑約8~12m,比表面積約為200 m2/g。最后經過500℃處理后的碳納米管球材料作為超級電容器的電極材料,比容量可以達到80 F/g。此外,相比于碳納米管薄膜電極,碳納米管球電極更高的比容量和倍率性能。圖3 是碳納米管球的合成過程。

        近年來,碳納米管作為儲能領域的電極材料受到越來越多的關注,它不僅僅單獨作為電極材料應用在超級電容器中,并且把它與其它的材料進行復合也是現階段的一個重要研究方向。但是,現階段仍然需要找到更簡單且更廉價的方法來大量制備碳納米管材料。

        石墨烯在超級電容器中的應用


        石墨烯是一種二維原子晶體,它的碳原子排列呈六方晶格結構,如圖4 所示。雖然對石墨烯的研究可以追溯至1859 年,但真正對其進行大量且系統的研究,是在人們發現了一種簡單且有效的方法來制備相對較大的孤立的石墨烯樣品后。

        石墨烯具有較好的電學特性、力學特性以及形態特性,如良好的遷移率、彈性常量和楊氏模量等。此外,它的表面性質不受孔徑大小分布的影響,這一特點使其成為許多電子設備的優先選擇材料。石墨烯具有高的本征載流子遷移率[2 0 0 0 0 0cm2/(V˙S-1)],優異的熱導率[5000 W/(m˙K)]。同時,石墨烯具有高的理論比表面積(2630 m2/g)和優異的機械強度。


        近些年有許多關于將石墨烯作為超級電容器電極材料的研究。Kim 等通過一種簡單的方法將空心的多層石墨烯球引入到氧化石墨烯片中,圖5 是石墨烯材料的合成過程。結果顯示這種石墨烯材料具有高的電導率(18620 S/m)和大的比表面積(527m2/g)。

        用這種石墨烯作為超級電容器的電極材料,測試結果顯示,在1 A/g 的電流密度下的比容量為171 F/g,循環1000 次以后仍然保持97.4%的容量,顯示出優異的電化學性能。

        此外,摻氮的石墨烯已經受到研究人員的廣泛關注,因為摻雜氮能夠有效提高超級電容的比容量、循環壽命和大功率容量等。近些年來,很多研究人員利用水熱法,將胺、吡咯以及硫脲等作為前驅體來制備摻雜雜質原子的石墨烯泡沫。如Chen等在180 ℃下水熱反應12 h 的條件下,將氧化石墨烯和有機胺作為前驅體來合成摻雜氮原子的石墨烯泡沫。有機胺在這個過程中不僅提供氮原子,而且在含氧官能團的反應中它還可以充當改性劑來還原氧化石墨烯,同時增加了氧化石墨烯形成3D互聯泡沫時的活性。


        含雜質原子的石墨烯泡沫作為超級電容器的電極材料時,得到了優異的超電容性能(比容量為113.8 F/g 以及功率密度205 kW/kg)。另一方面,有時也需要透明和伸展性能好的儲能設備。因此,一些透明的太陽能電池、鋰電池、超級電容器得到了很大的發展。Chen等用一種簡單的方法合成了一種具有高延展性和高透明度的具有褶皺的石墨烯材料,將其用作集流體或者電極材料來制作透明且延展性好的超級電容器,這種新型的超級電容器擁有很高的透明度(在550 nm 時57% ),在拉伸度為40%時循環數百次其性能沒有明顯的變化。圖6 是這種石墨烯材料及其作為電極材料時超級電容器的制備原理圖。

        總之,石墨烯(包括各種改性石墨烯)已經被越來越多地作為電化學儲能設備的電極材料,尤其是在超級電容器中。未來預期將會有更多有關石墨烯材料在超級電容器領域應用的研究。

        結論

        目前在超級電容器領域,高比表面積的炭材料的研究已經顯得相對成熟,然而能量密較低、儲能成本較高仍然是超級電容器最大的弱點。

        因此,現在對于超級電容器電極材料的研究主要集中在贗電容材料(金屬氧化物和導電聚合物等)上,同時由于贗電容材料特別是金屬氧化物的循環性能較差、導電性普遍偏低,促使很多研究者轉向贗電容材料與炭材料合成復合材料的研究??傊?,解決超級電容器能量密度低、儲能成本高的問題,還需要科研工作者進一步的努力。 

        原標題:石墨烯VS碳納米管——炭材料在超級電容器中的應用

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