氧化石墨烯在超级电容器中的应用
电化学电容器通常被称为超级电容器,与传统的静电和电解电容器相比具有更高的电容值。典型的超级电容器由两个电极组成,置于同一电解液中,两个电极之间被多孔膜隔离开。
优点:超级电容器具有大电流、高功率密度(10kW/kg)、长周期寿命(>100倍电池寿命)和低维护成本等优势。超级电容器的能量密度远低于电池的能量密度。此外,超级电容器的电压随放电状态而变化,而电池的输出电压基本恒定。
超级电容器可分为双电层电容和赝电容。
在双电层电容器中,电压施加在电极上通过静电吸附电解液离子,在电极上形成双电层电解液界面。
赝电容是通过电解液和电极之间可逆的氧化还原反应储存能量,与双电层电容相比,赝电容可以表现出更高的电容和能量密度,但由于电极材料的低电导和电极表面反应中缓慢的电子转移动力学,功率密度相对较低。在长期氧化还原反应过程中,电极的降解和老化可能会导致寿命缩短,所以赝电容材料普遍存在稳定性差的问题。在这方面,石墨烯材料的引入可以增加导电性、提升比表面积、增加高机械强度和柔性,并可实现多孔微结构,因而提升赝电容的综合性能。
氧化石墨烯在双电层电容器中的应用:
(1)石墨烯纸/薄膜电极:石墨烯薄片之间具有的π-π相互作用会造成石墨烯微片的团聚或回叠,限制石墨烯电极的性能。此外,石墨烯的高比表面积会受到电解质浸润效果的影响,石墨烯的高导电性也可能受到层间接触电阻的影响。
KOH活化GO也可制备高导电性、高强度的多孔石墨烯薄膜,制备过程如图所示。得到的材料具有很高的比表面积和高的导电性。
(2)三维石墨烯电极:三维互联的多孔结构,如水凝胶、气凝胶、泡沫、海绵等可以保持石墨烯薄片的固有特性,还可以提供具有良好机械稳定性、高比表面积和高导电网络的电极,从而改善了存储电容、可循环性和倍率能力。
氧化石墨烯在赝电容器中的应用:
(1)导电聚合物/石墨烯复合材料:在导电聚合物中,聚苯胺(PANI)因其理论电容高(2000F/g)、低成本和易于合成而被广泛应用于超级电容器。石墨烯/PANI复合材料也已由多种方法,如原位聚合法、物理混合法、层层自组装法、CVD法、电纺法和化学接枝法等制备出来。
(2)金属氧化物/石墨烯复合材料:
由于具有低成本和高电容值,金属氧化物长期以来一直被作为赝电容器的潜在电极材料研究。然而,金属氧化物的导电性较低,基于这些材料的赝电容具有较差的循环和倍率性能。石墨烯可与金属氧化物复合,改善其导电性和机械/电化学稳定性。
(3)金属氧化物/石墨烯复合材料:
二氧化锰通常被认为是超级电容器的一种可实用化的电极材料,因为它具有高理论电容、低成本、储量大、环境友好和易于大规模生产等优势。但是,它的低电导率限制了其高功率性能,影响了它的进一步应用。
将GO通过水热法制备得到氮掺杂石墨烯,接着采用超声法制备得到氮掺杂石墨烯/二氧化锰复合材料,该复合材料中二氧化锰颗粒均匀分布在氮掺杂石墨烯表面。
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