基于石墨烯基复合材料的超级电容器研究现状

基于石墨烯基复合材料的超级电容器研究现状 超级电容器是一种发展成本低、环境友好、能量密度高的新型绿色能源装置,具有充电时间短、放电速度快、使用寿命长、节约能源和绿色环保等优点,得到了科学界的一致追捧,而影响超级电容器最关键的因素就是电极材料的性能。过渡金属氧化物如Mn02,ZnO, C0304和NiO等虽是较好的电极材料,但导电性能较差,会产生较大的内阻,使得在充放电过程中,容易导致电极材料结构的破坏而影响其充放电容量和循环性能。将过渡金属负载到碳材料例如石墨烯上可以较好的解决这一难题,这方面研究国内外已有很多相关报道。 作为碳材料中重要的一员,石墨烯由于导电性能强、导热性好、质量轻、比表面积大而备受关注,在储能装置、电化学器件、功能性复合材料等方面都具有重要的应用。将石墨烯应用到超级电容器上,改善了超级电容器的电容量和循环稳定性。但石墨烯层与层之间的分子问作用力导致石墨烯容易团聚,从而降低了石墨烯的比表面积和比容量。将过渡金属氧化物和石墨烯组装成复合材料,既能提高电极材料的导电性和充放电容量,又能增强其循环稳定性。 1过渡金属氧化物与石墨烯复合材料在超级电容器中的应用1.1二氧化锰/石墨烯 在超级电容器的研究中,锰作为过渡元素较先受到关注。虽然它资源比较丰富,且易获取,但电化学性能较弱,尤其是导电性能差阻碍了人们进一步研究的步伐。通过与石墨烯的复合,能在一定程度上 改善二氧化锰存在的问题,大幅度提高其比电容和循环性能。 Li等制备的石墨烯/Mn02复合纸电极具有无黏结剂、柔韧性好的特性,并发现其具有良好的循环稳定性,且在浓度为0.1 mol/L 的Na2SO4水溶液中,当电极的Mn02含量为24%,电流密度为O.5 A /g时,该复合纸电极的比容量为256 F/g。Wei等通过高锰酸钾还原成二氧化锰沉积在石墨烯表面制备出了二氧化锰/石墨烯复合材料,该复合材料在超级电容器性能测试中显示了较好的循环寿命,其电容为114 F/g。Yan和Fan等通过微波辅助法制备出了石墨烯/MnO复合材料,研究发现该复合材料的电容性能是纯石墨烯和纯Mn02的三倍,在2 mV/s扫描下,比电容为310 F/g。并且其循环寿命良好,在1000次循环后比电容仍可为97%。 He等将Mn02覆盖在石墨烯表面制备出了一种三维导电网络复合材料,发现其柔韧性好、质量轻、导电性强、比表面积大。该复合电极比电容可达130F/g,而且由该复合材料制作出的超级电容器具有卓越的电化学性能和优异的机械性能。 1.2氧化镍/石墨烯 氧化镍是一种理想的超级电容材料,但是由于比容量较低而无法得到普遍运用。针对比容量低和导电性的问题,构筑石墨烯与氧化镍的复合材料是很好的解决方法。此外,形貌结构的差异对氧化镍材料性能也有很大影响,通过不同的制备方法,如化学沉淀法、热分解法、模板法、水热法等可以获得不同形貌的复合材料。Yan等由化学沉淀方法将分层多孔的β-Ni(OH)2纳米片负载在石墨烯片层上制备出了 氢氧化镍/石墨烯复合材料。在扫描速率为2 mV/s下复合物的比容量可达219.4 F/g。在此基础上,他们还研究了由该材料制备出的超级电容器,经过2000次循环扫描后,比容量仍可达95.7%,表明其具有良好的电容特性和循环寿命。Fan等161以氢氧化镍/石墨烯复合材料作为正极,多孔石墨烯作为负极组成了循环寿命良好的混合型超级电容器,其比容量可达218.4 F/g。Ji等¨惆水热法将多孔的Ni(OH)2薄膜沉积在超薄石墨烯泡沫上制备出了氢氧化镍/石墨烯复合材料。超薄石墨烯泡沫的三维导电网络提供高的导电性而多孔结构的氢氧化镍薄膜提供了短的离子扩散路径,使得其复合材料在电流密度为0.5 A/g和10A/g时分别有166F/g和11l F/g的比电容。 1.3氧化锌/石墨烯 Chen等利用共沉淀法制备出了纳米氧化锌/石墨烯复合材料,应用在超级电容器中,性能优良,且比容量可达308 F/g。虽然该方法简单易行且成本低、产率高,但与贵金属氧化物和碱金属氧化物与石墨烯的复合材料性能相比还有待提高。Lu等利用丝网印刷的方法制备出石墨烯膜,用超声喷雾热分解的方法将Zn0沉积在石墨烯膜层上制备出了ZnO/石墨烯复合材料,并检测出ZnO/石墨烯复合材料具有比石墨烯更大的能量密度(为4.8 kWh/kg)、更高的电容性能和很好的循环性能。 1.4其他金属氧化物与石墨烯复合 由于超级电容器的应用越来越普遍,因此其材料的研发也成为了 科研者追逐的焦点。除了对以上金属氧化物研究较多以外,其他科研工作者也对具有超级电容器性能的其他金属氧化物与石墨烯复合材料进行了研究。Xiang等制备了不同用量比的石墨烯(RGO)/TiO2纳米带和RGO/Ti02纳米粒子复合材料,并将其进行性能测试对比发现当RGO与Ti02纳米带的用量比为7:3时,具有非常高的比容量,可达225 F/g。Yu等通过在3D石墨烯上负载蜂窝式的CoMoO。制备复合材料,这个方法简单易行且能进行大批量生产。新型的CoMoO4-3D 石墨烯混合物比容量能达到1101 F/g,循环寿命较高,显示了良好的电容性能。Li等经过对超级电容器材料的长期研究,制备了石墨烯/Sn02复合材料。由于Sn02对总的电容能提供额外的赝电容而使得这种复合材料的电化学性能十分优越。该复合材料不仅能用于传感器上,而且在电池等领域也能发挥其优势。 2总结 虽然目前金属氧化物与石墨烯的复合材料在超级电容器方面研究较为广泛,电化学性能也有所改进,但电极材料的稳定性、电容器容量以及快速充放电性能还有很大的提升空间,如何解决这些难题将决定着石墨烯复合材料与超级电容器的发展前景。这些难题有待于科研工作者们进一步深入研究。 参考文献 [1]NiO/还原氧化石墨烯的溶剂热合成以及作为高循环稳定性超级电容器电极材料的性能表征,徐欢等,2014.3 [2]掺氮石墨烯研究,陈旭等,2013.8 [3]聚苯胺纳米纤维/石墨烯复合物的制备及其电化学性能,魏从杰 [4]石墨烯/二氧化锰复合材料的电化学性能,徐晓,2013.1 [5]石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及其电化学性能,王宏智 [6]水热法合成再生纳米级MnO2超级电容器性能的研究,江忠远 [7]氧化石墨烯的制备及在复合材料中的应用研究进展,杨云裳等 [8]用于超级电容器电极材料的石墨烯基纳米复合物的种类和研究现状,辛德琼等,2012.5 [9]谢小英, 张辰, 杨全红,超级电容器电极材料研究进展,化学工业与工程,2014年1月,第31卷第1期 [10]Conway,B.E.Electrochemical Supercapacitor:Scientific Fundamentals and Technological Applications,Kluwer Academic/Plenum:New York, 1999. [11]周帅,Mn/C基复合物的制备及电化学性能的研究,天津大学2012.6 [12]李金龙,徐建华等,石墨烯/二氧化锰/聚3,4-乙烯二氧噻吩三相复合电极的制备及电化学性能,功能材料,2014年第7期第45卷[13]Ranjusha R., A. Sreekumaran Nair,Ultra fine MnO2 nanowire based high performance thin film rechargeable electrodes: Effect of surface morphology, electrolytes and concentrations,J. Mater. Chem., 2012, 22, 20465 [14]张治安,《基于氧化锰和炭材料的超级电容器研究》,电子科技大