侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

技术解析:我国石墨烯基超级电容器研究进展

2015-02-13 09:48
吃瓜天狼
关注

  超级电容器是最具应用前景的电化学储能技术之一。目前,超级电容器的研究重点是提高能量密度和功率密度,发展具有高比表面积、电导率和结构稳定性的电极材料是关键。石墨烯因具有比表面积大、电子导电性高、力学性能好的特点而成为理想的电容材料,但石墨烯的理论容量不高,在石墨烯基电极制备过程中容易发生堆叠现象,导致材料比表面积和离子电导率下降。因此,发展合适的制备方法,对石墨烯进行修饰或与其他材料形成复合电极材料是一种有效解决途径。本文对石墨烯基电极及其在双电层电容器、法拉第准电容器和混合型超级电容器中的应用的研究进展进行归纳,重点介绍了石墨烯凝胶薄膜电极的制备过程,以促进石墨烯基电极在超级电容器构筑中应用。

  传统化石能源资源的日益匮乏和环境的日趋恶化,有力地促进了太阳能和风能等可再生能源的发展但太阳能、风能具有波动性和间歇性,需要有效的储能装置保证其能够稳定的在电网中并网工作。同时,电动汽车产业的快速发展也迫切需要发展成本低、环境友好、能量密度高的储能装置。

  超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的一种电化学储能装置,其容量可达几百甚至上千法拉。自1975 年Conway 首次提出法拉第准电容的储能原理以来,超级电容器的研发已经得到了长足的发展,日本NEC、松下、本田、日立和美国Maxell 等公司开发出的小型超级电容器已开始推向市场,在小型移动电子设备、汽车能量回收等领域应用。法国SAFT 公司、韩国NESE 公司等也在进行超级电容器的研究和开发。美国的USMSC计划、日本的New Sunshine 计划和欧洲的PNGU计划均将超级电容器列入开发内容。我国将“超级电容器关键材料的研究和制备技术”列入到《国家中长期科学和技术发展纲要(2006— 2020 年)》,作为能源领域中的前沿技术之一。超级电容器作为一种新型电化学储能单元,具有容量大、功率密度高、免维护、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范 围宽等优点,已在备用电源系统、便携式电子设备和电动汽车领域有广泛的应用。对于具有随机性和间歇性等特点的可再生能源发电,超级电容器应用于风力发电中 可以提高风电场的运行安全。超级电容器的基本构造与应用组件如图1 所示。

  按照储能机理,超级电容器可分为双电层电容器(electric double layer capacitors,EDLCs)和法拉第准电容器(又叫赝电容器,pseudo-capacitors)。近年来,国内外对超级电容器储能技术的基础 研究呈现出爆发式的增长,取得了很多新的突破。双电层电容器的储能机理是在大比表面积的碳材料电极和电解质界面吸附相反电荷的正负离子,电荷储存在界面双 电层中,通过电化学极化进行可逆吸/脱附从而储存和释放能量。双电层电容器的电极主要为多孔碳材料,如活性炭、碳纳米管、介孔碳和碳化物衍生碳等。对于这 些碳材料,决定双电层电容性能的因素主要有材料比表面积、电导率和孔隙率,但很少有碳电极材料可以在这三个方面均有优异的表现,因此,人们仍在不断研究碳 基双电层电容器材料。

  赝电容器储能机理则是在具有氧化还原活性的电极表面,通过电极和电解质之间发生快速可逆的氧化还原反应进行能量储存和释放。这类电容器的电极材料主要有表 面含有氧化还原活性位的材料,如导电聚合物、金属氧化物或金属氢氧化物。相比于双电层电容器,赝电容器的容量更大,但由于材料的导电性能较差,材料发生氧 化还原反应时结构容易被破坏,因此能量密度和循环性能相对较差。

  为进一步提高超级电容器的能量密度,近年来开发出了混合超级电容器,又称“不对称超级电容器”。其中,一极采用具有氧化还原活性的电极材料通过电化学反应 来储存和转化能量,另一极则采用碳材料通过双电层来储存能量。在混合型超级电容器中,能量储存的过程仍主要发生在电极表面,电极材料的比电容、导电性、比 表面积和结构稳定性是混合型超级电容器能量储存和转化性能的决定因素。因此,为了提高能量密度和功率密度,无论是双电层超级电容器、法拉第准电容器,还是 混合超级电容器,其电极材料必须具有比表面积大、电导率高和结构稳定的特性。

  石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构碳材料,具有很大的比表面积(2675 m2 /g)、优异的电子导电性和导热性、很高的力学强度,符合高能量密度和高功率密度的超级电容器对电极材料的要求,是理想的超级电容器电极材料。石墨烯在超 级电容器中的应用基础研究结果层出不穷。通过不同的合成与制备过程将石墨烯与其它材料构成复合电极材料,分别应用于双电层电容器、法拉第准电容器或混合型 超级电容器。本文对近年来石墨烯基电极材料在三种不同类型超级电容器中的应用研究综述如下。

1  2  3  4  下一页>  
声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号