用石墨烯制作超级电容器的电极材料

　　超级电容器作为一种大功率的储能器件，具有原理与结构简单、安全可靠、适用范围广、功率密度大、充放电速度快、充放电循环寿命长、工作温度范围宽、环保无污染等优点，被认为是能量储存领域的一项革命性发展。超级电容器的电极材料是超级电容器性能好坏的决定性因素，直接关系到超级电容器的比电容量、能量密度、功率密度等性能参数。作为超级电容器的电极材料必须满足一系列要求：(1)有较大的比表面积。(2)在超级电容器使用条件下要有足够高的化学稳定性和充放电重复循环能力，从而保证超级电容器的使用寿命。(3)在电解液中具有优良的浸润性，与电解液和集流体有较小的接触电阻，以减小超级电容器的电化学阻抗。
　　石墨烯是由sp2杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状的晶体结构，具有良好的导电性和大的比表面积(理论比表面积为2360m2/g)，因此成为目前研究为广泛的一种超级电容器电极材料。据报道，把氧化石墨烯片层喷墨打印在Ti箔集流体上，在N2环境下200℃热还原得到喷墨打印石墨烯，作为超级电容电极材料，以1mol/L硫酸溶液为电解液，可获得48至132F/g的比电容量，循环稳定性良好。采用模板法，如以聚苯乙烯微球为模板，可制备出直径为300nm的中空石墨烯球。这种特殊结构更容易吸收电解液离子，作为超级电容电极材料，在电流密度为0.5A/g时，比电容量达到273F/g；即使在大电流密度10A/g时比电容量也达到197F/g，且在此电流密度下循环5000次，比电容量保持率为95%。如以具有褶皱且团聚的三维介孔结构（孔径为几十纳米）的石墨烯作为超级电容器电极材料，则可表现出更好的超级电容器电化学性能，在碱性水系电解液中比电容量达到341F/g，能量密度为16.2Wh/kg，循环1000次以后容量保持率为96%；在有机电解液中能量密度可达52.5Wh/kg，容量保持率为96%。
　　将石墨烯与过渡金属氧化物或导电聚合物进行二元或三元复合，如石墨烯/聚苯胺，石墨烯/碳纳米管/MnO2等，得到形貌各异，结构合理的复合材料。这种复合材料利用了各自的优点同时又克服各自的缺点，能够实现材料性能和成本的合理平衡，并且具有单一电极材料所不具备的优良性能，发挥材料的协同效应。例如，将石墨烯作为支撑骨架，与金属氧化物或导电聚合物进行复合，形成多维结构的材料。导电性优异的石墨烯能够使金属氧化物或导电聚合物均匀分散在其骨架中，石墨烯起到了有效的导电网络结构的作用，增强了材料的导电性，克服了导电聚合物或金属氧化物循环寿命短、可逆性差等缺点；而金属氧化物或导电聚合物颗粒可以防止石墨烯片层之间的完全接触团聚，从而防止石墨烯比表面积下降，同时也为它们提供了较高的赝电容来提高复合电极材料的比电容量和能量密度。
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