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石墨烯在超级电容中的应用


来源:中国粉体网   墨玉

[导读]  石墨烯作为新型材料在超级电容领域也有重要应用。

中国粉体网讯  超级电容,又名电化学电容,双电层电容器、黄金电容、法拉电容,是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。


超级电容工作原理


所有超级电容器的共性是,都包含一个正极,一个负极,及这两个电极之间的隔膜,电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。


 


根据储能机理不同可分为双电层电容和法拉第准电容。


双电层电容工作原理:当在两个电极上施加电场后,溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移,在电极表面形成双电层,完成充电过程;撤消电场后,电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定,在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言,会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷,使其保持电中性;当将两极与外电路连通时,电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流,溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性,完成放电过程。以上就是双电层电容的充放电原理。


法拉第准电容工作原理:这种类型的电容储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储,还包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。当电解液中的离子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时,会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中,从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时,这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中,同时所存储的电荷通过外电路而释放出来,这就是法拉第准电容的充放电机理。


石墨烯在超级电容中的应用


石墨烯导电剂


石墨烯作为导电性极佳的“至柔至薄”二维材料,是一种高性能导电添加剂。它可以与超级电容器电极中活性炭颗粒形成二维导电接触,在电极中构建“至柔-至薄-至密”的三维导电网络,降低电极内阻,改善电容的倍率性能和循环稳定性。


针对石墨烯粉体难以在其他材料中进行均匀分散的行业难题,研究者们设计了具有高导电性极易分散的石墨烯/碳黑复合导电剂粉体(石墨烯含量在50%以上),利用碳黑的阻隔作用,可实现石墨烯在电极中的均匀分散,从而构建三维导电通路,有效提升了超级电容的性能,其其制备原理及结构表征如图所示。


 


石墨烯基超级电容器


石墨烯被认为是高电压、高容量、高功率超级电容器电极材料的选择之一。2011年,Ruoff 教授利用KOH化学活化对石墨烯结构进行修饰重构,形成具有连续三维孔结构的活性石墨烯。它富含大量的微孔和中孔,比表面积达到 3100m2/g,远高于石墨烯理论比表面积(2630m2/g)。在有机电解液中其比容量达200F/g(工作电压3.5V,电流密度0.7A/g),基于整体器件的能量超过20Wh/kg,是目前活性炭基超级电容器能量密度的4倍。虽然现在石墨烯基超级电容器普遍的能量密度与锂离子电池还有一定的差距,但长远来看前者更有发展空间。


表:石墨烯基超级电容器与其它储氢产品比较





关于石墨烯超级电容中的进一步探讨


由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性,诸如异常高的导电性和大表面积,石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电极材料相比,在能量储存和释放的过程中,显示了一些新颖的特征和机制。未来石墨烯超级电容也将是最受关注的储能产品之一,想要了解更多关于石墨烯以及其在超级电容中的应用吗?2018年4月24-25日在苏州“2018低维碳纳米材料制备及应用技术交流会”上,中国科学院山西煤炭化学研究所石墨烯与新能源材料研究组组长陈成猛将会带您深入了解《石墨烯与多孔炭--从规模化制备到超级电容应用》。


 


陈成猛博士:2012年受聘于中国科学院山西煤炭化学研究所709课题组长、中科院青促会会员、中国颗粒学会青年理事、中国石墨烯产业联盟理事、标准委员会成员、中电标超级电容器工作组标准委员会会员。


研究领域为:石墨烯化学法规模化制备、石墨烯基导电炭膜及其三维组装体、石墨烯掺杂与复合衍生物,及上述材料在储能、导热领域的应用探索。创立炭美石墨烯品牌,2013年在太原建成300公斤/年石墨烯中试示范线。

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