氧化石墨烯修饰碳毡作为钒电池正极材料的电化学性能
井明华;范新庄;刘建国;严川伟
【摘要】作为液流电池的关键电极材料,碳毡是钒离子电极反应发生的场所,但其有限的电催化活性及反应面积严重制约了钒电池性能的提高.考虑到氧化石墨烯具有丰富的含氧官能团和良好的亲水性,可以通过简单的物理吸附法将氧化石墨烯修饰于碳毡表面,并将其作为钒电池正极材料,考察它对正极反应活性及电池性能的影响.实验结果表明,氧化石墨烯的修饰能够明显改善碳毡电极的亲水性,进而使其电化学表面积得到很大提高.值得关注的是,电化学测试结果说明,尽管氧化石墨烯/碳毡复合电极对+2VO/VO2+的反应活性大幅增加,但其主要得益于电极有效反应面积的提高,而电催化活性的贡献则相当有限.此外,单电池测试结果表明,充放电电流密度越大,电池效率提高的越明显,这也说明了氧化石墨烯/碳毡复合电极具有良好的倍率性能.
【期刊名称】《储能科学与技术》
【年(卷),期】2017(006)002
【总页数】7页(P263-269)
【关键词】氧化石墨烯;碳毡;电催化活性;电化学表面积;钒电池;正极反应
【作者】井明华;范新庄;刘建国;严川伟
【作者单位】中国科学院金属研究所,辽宁沈阳 110016;中国科学院金属研究所,辽宁沈阳 110016;中国科学院金属研究所,辽宁沈阳 110016;中国科学院金属研究所,辽宁沈阳 110016
【正文语种】中文
【中图分类】TM911
随着能源危机与环境污染的日益加重，发展清洁高效的可再生能源逐渐成为近年来研究的热点[1]。然而风能、太阳能等绿色能源具有不稳定、不连续等特性[2]，
需与合适的规模储能技术联用才能实现电能的高效存储和稳定输出[3]。全钒液流
电池作为一种绿色的电化学储能器件，具有循环寿命长、环境友好、容量大，设计灵活、无交叉污染等优点，近年来受到越来越多的关注[4-5]。
作为钒电池的关键材料之一，电极是钒离子电极反应发生的场所，其结构和理化性质对于电活性物质的传递以及电化学反应动力学都有着重要影响。因此，理想的钒电池电极材料需要具有良好的化学稳定性、高活性、高电导率、高比表面积以及优异的亲水性等特点。在众多电极材料中，碳毡因具有低廉的价格、合适的孔结构、较高的导电性和化学稳定性而广泛应用于钒电池示范储能系统[6]。然而，碳毡的
亲水性较差，比表面相对于其它多孔碳材料也较低[7]，最关键的是其电化学活性
不足，这些问题严重限制了钒电池性能的提高。目前基于碳毡的改性方法主要有电化学处理[8]、热处理[9]、酸处理[10]、催化剂修饰[11-13]等，其目的主要是增大碳毡的比表面积及电催化活性。尽管改性处理后碳毡的电化学性能得到了明显改善，但对于表面积及电催化活性在改善碳毡电化学性能的过程中所扮演的角色并没有进行充分的研究，这也导致难以对碳毡进行更有针对性的改性处理。此外，上述多数改性方法较为繁琐，成本较高，且难以进行工程化放大。因此深入研究碳毡的物理化学性质与其电化学行为的关系，进一步探明提高钒电池电极性能的关键因素，对于直接、有效地提高钒电池性能至关重要。
本工作以碳毡为基体，采用物理吸附法将具有丰富含氧官能团及良好亲水性的氧化石墨烯直接修饰在碳毡表面，成功制备出氧化石墨烯/碳毡复合电极（GO/CF）。
通过物理表征及电化学测试系统地考察了GO/CF作为钒电池正极材料的物理化学性质和电化学性能，并且揭示了GO/CF电极的电化学表面积和电催化活性对其性能的影响规律，从而为提高钒电池电极性能以及实现其工程化放大提供依据。
1.1 实验试剂及仪器
实验中用到的主要材料有: 氧化石墨烯（GO，Hummers法制备）；聚丙烯腈基
碳毡（PAN-CF）（江油润生石墨毡有限公司）；Nafion溶液（质量分数为5%，杜邦公司），使用时用无水乙醇将其稀释到0.02%；电化学实验中的电解液为0.1 mol/L的VOSO4＋2.0 mol/L的H2SO4；小电池充放电实验用电解液采用总钒
浓度为1.7 mol/L（等物质的量的V3+和V4+）、硫酸浓度为3.0 mol/L的混合
溶液。
实验中使用的主要仪器：扫描电镜SEM（FEI INSPECT-F）；透射电镜TEM（H-800，日本株式会社日立制造所）；接触角测试仪（JYPHb，承德金和仪器制造有限公司）；电化学工作站（Gamry Refence 600）；电池测试系统（CT-3008 5V 10A，Land CT2001A）；蠕动泵（BT100-1L，保定兰格恒流泵有限公司）。
1.2 实验方法
1.2.1 GO/CF复合电极的制备
GO 采用改良的Hummers法制备[14]。主要步骤如下：冰浴条件下，向67.5 mL 的浓硫酸中加入2.0 g高纯石墨和1.6 g NaNO3，搅拌均匀后缓慢加入9.0 g的
固体KMnO4。而后于水浴中控制反应温度在32～38 ℃, 反应时间为30 min。室温下放置5天后用560 mL的热水稀释，随即滴加30% 的H2O2还原剩余的高价锰离子，直至溶液变为亮黄色。趁热离心洗涤（16000 r/min、10 min）至中性，产物置于真空干燥箱中干燥，备用。
将制备好的氧化石墨烯分散于0.02%的Nafion/乙醇溶液中，配制成2 mg/mL的分散液，然后将 5 cm×10 cm的碳毡浸泡于此分散液中至吸收完全，放入40 ℃
的烘箱中烘干备用。
1.2.2 物理化学表征
采用扫描电镜以及透射电镜考察了氧化石墨烯以及GO/CF复合电极的表面形态和结构特征；使用接触角测试仪对复合前后的碳毡的亲水性能进行了比较。
1.2.3 电化学性质表征
采用电化学工作站和三电极体系研究了碳毡修饰氧化石墨烯前后的电化学行为。碳毡为工作电极（0.385 cm2），饱和甘汞电极为参比电极，铂片为辅助电极。复合前后电极的电化学表面积由小幅电位阶跃法测得，测试中将工作电极质量控制在
15 mg，阶跃电位10 mV。电极的电化学性质通过循环伏安（CV）和交流阻抗谱（EIS）进行考察。电解质溶液均为0.1 mol/L VOSO4＋2.0 mol/L H2SO4溶液；CV测试扫速为5 mV/s；EIS频率是10-2～105 Hz，正弦交流信号的振幅为10 mV。此外，分别采用CF和GO/CF为正极，CF为负极组装成单电池进行充放电
测试，以考察GO/CF电极作为钒电池正极材料的电化学性能。测试温度25～
30 ℃，充放电截止电压分别为1.65 V 和0.75 V，电解液流速为40 mL/min。
2.1 SEM和TEM表征
首先采用扫描电镜以及透射电镜考察了前文中制备的氧化石墨烯的形貌特征。从图1(a)可以看出：GO为薄片状结构，大多以多层的石墨烯片存在，边缘呈现出较多的缺陷，且表面具有较多丝绸状的褶皱；图1(b)TEM照片中显示，GO具有较低
的衬度和丰富的褶皱，尺寸从几百纳米到几十微米不等。图1(c)和图1(d)为碳毡
修饰GO前后的SEM照片。与表面相对光滑的碳毡[图1(c)]不同，修饰GO后的
碳毡表面分散着大大小小的氧化石墨烯片，而这些片状的GO由于自身含有丰富
的含氧官能团、较多的缺陷以及较大的比表面积[15]，有望提高GO/CF复合电极的亲水性和比表面积，进而提升其电化学性能。
2.2 接触角测试
为了验证GO对碳毡亲水性的影响，我们对修饰GO前后的碳毡进行了接触角测试，测试溶液为0.1 mol/L VOSO4＋2.0 mol/L H2SO4电解液。图2为CF 和GO/CF与电解液的接触角图片。如图2所示，修饰GO以后，电极与电解液的接触角由119.8°降低至75.3°，说明该复合电极具有更加优异的亲水性能，而电极材料的亲水性对电极的有效比表面有着至关重要的作用[16]。因为良好的亲水性会使电解液与电极的接触更为充分，电解液更容易进入电极内部的微孔或介孔中，进而大幅提高其电化学表面积；而较大的电化学反应面积会在一定程度上降低电池的极化，从而提升电池性能。
2.3 电化学比表面积测试
实际上，在电化学分析中用碳电极的物理面积来代替电极的实际反应面积是不恰当的。因为碳电极，尤其是碳毡电极具有一定的疏水性，其物理表面并不能完全被电解液浸润，所以即便其具有较大的物理表面积，如果亲水性较差，其所能够提供的电化学反应面积也会很小。小幅电位阶跃法可以用于计算电极材料的真实电化学活性面积（ECSA）[17]，但其测试的前提条件是要控制好电解液组成和电位范围，确保在测试过程中没有电化学反应发生，则此过程中的电流完全用于双电层充电。图3为CF和GO/CF于0.1 mol/L VOSO4＋2.0 mol/L H2SO4溶液中的恒电位阶跃曲线，电压幅值10 mV。由式(1)可以计算出相应电极的电化学比表面积SECSA[16]
式中，SECSA为电化学比表面积，m2/g；i为响应电流，A；t为电流恒定不变时所对应的时间，s；m为电极质量，g；η为阶跃电压幅值，V。
由式(1)计算可得，CF的电化学比表面积约为4.93 m2/g，GO/CF的电化学比表面积约为60.3 m2/g。可见，GO的引入使复合碳毡电极的活性表面积大大增加，其SECSA约为原毡的12倍。主要原因有二：一方面，吸附在碳毡表面的GO自身能够直接提高复合电极的表面积；另一方面，复合电极较好的亲水性有利于电极
表面的浸润，这对电化学表面积的提高具有重要意义。
2.4 CF及GO/CF的电化学活性测试
2.4.1 CV测试
CV测试对于考察电极材料的电化学活性有着非常重要的意义，它可以在一定程度上反映出电极对钒离子电对的电催化活性，电极反应的可逆性等[17]。图4为CF 和GO/CF电极在0.1 mol/L VOSO4＋2.0 mol/L H2SO4溶液中的CV曲线。如图4所示，/VO2+电对在CF和GO/CF上均出现近似对称的氧化还原峰，不同的是在GO/CF电极上具有更大的峰电流和更小的峰位差，表明GO/CF复合电极对钒电池正极反应具有更好的电化学活性。这主要是由于GO/CF复合电极具有更大的电化学活性面积，更多的电化学活性位点，使其电化学反应电流增大，同时电化学极化也有所降低。表1为/VO2+在CF和GO/CF电极上的CV电化学参数，对应于CF和GO/CF电极的Ipa/-Ipc的值分别为1.31和1.26，表明/VO2+在GO/CF电极上具有更好的可逆性，进一步说明了复合电极对于/VO2+的电催化活性也得到了一定程度的改善[18]。
2.4.2 EIS测试
交流阻抗作为一种对电极表面几乎零破坏的测试手段，可以用来研究电极上的电化学反应过程[19]。图5为/VO2+在CF和GO/CF电极上的电化学阻抗Nyquist图，极化电位为0.9 V。如图所示，CF和GO/CF对应的Nyquist图均表现为两个压扁的半圆弧，可以将二者拟合为插图中所示的等效电路[20]。其中R1代表溶液电阻，CPE1代表碳毡中纤维间的电容，R2表示纤维和电解液的接触电阻以及纤维与纤维之间的接触电阻，CPE2代表电极与溶液间的双电层电容，R3则代表电荷转移电阻[20]，相应的拟合数据列于表2。
在同一电解液中，R1值所代表的溶液电阻相差不多。值得注意的是，GO/CF复合电极的R2值相比于CF电极明显降低，这可能是由于GO的引入更有利于纤维之
间的导通，而且GO/CF具有更加优异的亲水性能，使得纤维和电解液之间的接触也更加充分。R3为电荷转移电阻，通常反映着电化学反应进行的快慢。显然，
/VO2+电对在GO/CF电极上的电荷转移电阻相比于原毡要小很多。从EIS拟合结果来看，电荷转移电阻相比于原毡降低了约14倍。结合小幅电位阶跃测试的结果可以说明，GO的引入主要是增大了材料的亲水性和比表面积，进而引起复合电极电化学活性面积的增大，这也是电极活性改善的主要因素；而其电催化活性的作用相对较小。
2.5 电池性能测试
此外，我们分别以空白CF和GO/CF为正极、以CF为负极组装成单电池，通过
充放电测试来考察GO/CF作为钒电池正极材料的性能。如图6(a)所示，在100 mA/cm2的电流密度下，两组电池的充电曲线近乎重合。这说明在充电过程中两
种电池的电化学极化可能都不是限制性因素。然而在放电过程中，采用GO/CF作为正极的电池显示出更高的放电电压以及更大的放电容量，这也进一步验证了
GO/CF复合电极具有较小的电化学极化。图6(b)所示为不同电极材料组装的钒电池在不同电流密度下的库仑效率（CF）、电压效率（VF）以及能量效率（EE），
相应的数据列于表3。由图可见，在整个电流密度范围内，以GO/CF为正极的电池，其电池效率均高于以空白CF为电极的电池。尤其在较大电流密度时，这种差距变得更大，说明电池具有较好的倍率性能。在100 mA/cm2的电流密度下，CE、VE以及EE分别提高了0.5%、2.88%和3.22%。
此外，为了考察两种电池的电压降来源，我们对二者分别进行了放电极化曲线的测试。实验前将电池进行恒压1.65 V充电，当电流小于2 mA/cm2时（认为电池达到100% SOC）停止充电。随后在不同电流密度下进行放电，放电时间1 min，
取此期间电压的平均值作为极化曲线上相应电流密度下的电压值，由此绘制出两种电池的放电极化曲线[图6(c)]。比较二者的极化曲线可以发现，以GO/CF为正极
的电池，其放电起始电位相比于以CF为电极的电池稍高一些，表明钒电对在
GO/CF电极上的电化学极化要稍小一些[21]。当电流小于100 mA/cm2 时，对应于极化曲线上的线性区，此区间内的电压降主要是由欧姆极化引起的[21]；可见，GO的引入使电解液与电极甚至电极与隔膜的接触都更充分，从而降低了电池的内阻。当电流密度进一步增大时，电池的压降则主要受到浓差极化的影响。由于
GO/CF电极具有更好的电解液浸润性，使得电极表面的扩散层相对较薄，因而受
到浓差极化的影响也相对较小。
最后，为了考察电池的循环稳定性，我们进行了130次的电池充放电循环实验，电流密度为 50 mA/cm2。如图6(d)所示，在连续进行130次充放电循环后，电池的能量效率并没有明显的衰减，说明GO/CF电极具有较好的稳定性。
为了进一步提高钒电池电极的活性及有效面积，本文通过简单的物理吸附法，将具有良好亲水性及丰富含氧官能团的氧化石墨烯修饰于碳毡表面，制备了氧化石墨烯/碳毡（GO/CF）复合电极，并考察了GO/CF做为钒电池正极的电化学行为。实
验结果表明，氧化石墨烯的引入有助于改善碳毡电极的亲水性；GO/CF复合电极
的有效比表面积增大到原毡的12倍。进一步的电化学测试结果表明，GO/CF复
合电极对/VO2+的反应活性的提高主要得益于电极有效反应面积的增大, 而电催化活性的贡献则相当有限。此外，单电池测试结果表明：电极电化学活性面积的增大有助于降低电池内阻，减小电池的极化，进而提升其倍率性能和能量效率。相比于提高电极的电催化活性，增大电化学表面积对于电极电化学性能的改善同样具有非常重要的作用。而且相比于繁琐的催化剂选材与修饰过程，提升电极电化学面积的步骤可以尝试在碳毡出厂之前的后处理过程中完成, 因而几乎不会产生附加成本，更易于实现其工程化放大。
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【正文语种】中文 【中图分类】TM911 随着能源危机与环境污染的日益加重，发展清洁高效的可再生能源逐渐成为近年来研究的热点[1]。然而风能、太阳能等绿色能源具有不稳定、不连续等特性[2]， 需与合适的规模储能技术联用才能实现电能的高效存储和稳定输出[3]。全钒液流 电池作为一种绿色的电化学储能器件，具有循环寿命长、环境友好、容量大，设计灵活、无交叉污染等优点，近年来受到越来越多的关注[4-5]。 作为钒电池的关键材料之一，电极是钒离子电极反应发生的场所，其结构和理化性质对于电活性物质的传递以及电化学反应动力学都有着重要影响。因此，理想的钒电池电极材料需要具有良好的化学稳定性、高活性、高电导率、高比表面积以及优异的亲水性等特点。在众多电极材料中，碳毡因具有低廉的价格、合适的孔结构、较高的导电性和化学稳定性而广泛应用于钒电池示范储能系统[6]。然而，碳毡的 亲水性较差，比表面相对于其它多孔碳材料也较低[7]，最关键的是其电化学活性 不足，这些问题严重限制了钒电池性能的提高。目前基于碳毡的改性方法主要有电化学处理[8]、热处理[9]、酸处理[10]、催化剂修饰[11-13]等，其目的主要是增大碳毡的比表面积及电催化活性。尽管改性处理后碳毡的电化学性能得到了明显改善，但对于表面积及电催化活性在改善碳毡电化学性能的过程中所扮演的角色并没有进行充分的研究，这也导致难以对碳毡进行更有针对性的改性处理。此外，上述多数改性方法较为繁琐，成本较高，且难以进行工程化放大。因此深入研究碳毡的物理化学性质与其电化学行为的关系，进一步探明提高钒电池电极性能的关键因素，对于直接、有效地提高钒电池性能至关重要。 本工作以碳毡为基体，采用物理吸附法将具有丰富含氧官能团及良好亲水性的氧化石墨烯直接修饰在碳毡表面，成功制备出氧化石墨烯/碳毡复合电极（GO/CF）。
石墨烯材料的化学修饰及其应用研究 石墨烯作为一种新兴的二维材料，在过去十几年里广受科学界的关注。这种材 料的特殊结构和特性使得它在许多领域具有广泛的应用前景。然而，石墨烯也存在一些问题，比如它的稳定性和可用性等方面还有待进一步提高。因此，在石墨烯的研究和应用过程中，化学修饰这个环节显得尤为重要。 石墨烯的化学修饰主要包括两种方式：一种是通过单个原子的替换（如氧、氮等）来产生化学上的改变；另一种是通过添加特定的分子或官能团来对石墨烯进行功能化。这些方法可以改变石墨烯材料的电子结构、化学反应能力和光学性能等方面，并在材料的应用中发挥重要的作用。 一种比较常用的化学修饰方法是氧化，它可以在石墨烯表面引入羟基、羧基等 官能团，提高石墨烯的亲水性和可溶性。氧化石墨烯可以用于制备透明导电膜、滤水器等材料，也可以作为电催化剂、生物传感器等方面的应用研究。 除了氧化石墨烯，还有许多其他的化学修饰方法。比如，用含有二十碳烷基的 羧酸对石墨烯进行修饰，可以制备出极性石墨烯化合物，有望应用于生物医学和电化学传感器领域。将金属、半导体等纳米颗粒嵌入石墨烯中，可以产生新的光电性能和催化性能，推动新型化学催化和能源转换的研究。另外，将石墨烯用作层间分离剂，可得到高性能的复合材料，也有望应用于电子设备和能源存储领域。 除了上述的一些基本化学修饰方法，近年来还有一些更为复杂的修饰方法出现。比如，使用打印、沉积等方法，在石墨烯上构建微型结构，可以产生更为丰富的化学、电学和光学性能，推动生物医药、光电器件、能源存储等领域的发展。 总之，石墨烯的化学修饰是推动这种材料应用的重要一环。目前，这个领域还 有很多待解决的问题和挑战，比如如何实现高效稳定的化学修饰、如何将石墨烯材料与其他材料复合等等。未来的研究将需要更多的创新思路和跨学科合作，以实现石墨烯材料在更多领域的应用。
二氧化锰-三维结构石墨烯电极材料制备及电化学性能共3篇 二氧化锰/三维结构石墨烯电极材料制备及电化学性能1 二氧化锰/三维结构石墨烯电极材料制备及电化学性能 随着能源需求的不断增长和环境问题的日益突出，新型高性能电化学储能设备受到越来越广泛的关注。二氧化锰/三维结构石墨烯电极材料作为一种新型的电化学储能材料，具有较高的比电容和循环性能，在超级电容器和锂离子电池中都有广泛的应用。本文主要介绍二氧化锰/三维结构石墨烯电极材料的制备与电化学性能。 一、制备方法 二氧化锰/三维结构石墨烯电极材料的制备一般采用两步法，首先制备石墨烯泡沫材料，再利用化学气相沉积技术将二氧化锰负载在石墨烯泡沫材料表面，最终得到二氧化锰/三维结构石墨烯电极材料。 1. 制备石墨烯泡沫材料 制备石墨烯泡沫材料的方法有多种，如化学气相沉积法、物理气相沉积法、化学氧化还原法等。本文介绍一种干法化学剥离法制备石墨烯泡沫材料的方法。
将天然石墨在高温下处理，使其表面产生氧化物，然后将氧化后的天然石墨和聚乙烯醇溶液混合，并通过超声波剥离得到石墨烯泡沫材料。最后将石墨烯泡沫材料热处理，得到具有三维结构的石墨烯泡沫材料。 2. 负载二氧化锰 将制备好的石墨烯泡沫材料浸泡在含有二氧化锰前体溶液的乙醇中，然后通过化学气相沉积技术将二氧化锰沉积在石墨烯泡沫材料表面。最终得到二氧化锰/三维结构石墨烯电极材料。 二、电化学性能 二氧化锰/三维结构石墨烯电极材料的电化学性能一般通过循环伏安法、电化学阻抗谱等测试手段进行测试。 1. 循环伏安法测定 循环伏安法是一种常用的电化学测试方法，可以用于测试电化学反应的物理化学特性和电化学反应动力学特性。将测试样品放置于电极中，在特定电位范围内进行循环伏安扫描，记录扫描图像。通过扫描图像可以获得电极的片儿式容量、比电容、电化学反应动力学特性等数据。 2. 电化学阻抗谱测试 电化学阻抗谱测试是一种可以获得电极电化学行为信息的测试
碳纤维毡的高温石墨化处理及其性能研究 邱广玮;刘平;韩金铎;曾乐才;刘新宽 【摘要】The carbon felt was put In the graphitizing fumace, and heat-treat for 30 min at 2 600 ℃.The structure of the graphized carbon felt and the improvements of its performance were studied by X-ray diffraction (XRD) and micro-Raman spectroscopy. The results show that the graphitlzation degree of carbon fibers is promoted and the electrical conductivity graphitized at 2 600 ℃ is also Improved.%将聚丙烯腈碳纤维毡放置在高温石墨化炉中,在高纯氩气气氛保护下,升温至2 600℃,保温30 min,采用X射线扫描、拉曼光谱等实验方法和测试技术研究了高温石墨化处理碳纤维毡的纤维结构和导电性能的改变.实验表明,碳纤维毡经过高温石墨化处理之后,石墨化程度增大,导电性能得到一定改善,更加适合用做电池的电极材料. 【期刊名称】《电源技术》 【年(卷),期】2013(037)002 【总页数】3页(P246-248) 【关键词】碳纤维毡;高温石墨化处理;XRD;拉曼光谱;电导率 【作者】邱广玮;刘平;韩金铎;曾乐才;刘新宽 【作者单位】上海理工大学机械工程学院,上海200093;上海理工大学材料科学与工程学院,上海200093;中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050;上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海200070;上海理工大学材料科学与工程学院,上海200093
氧化石墨烯材料的性能调控及应用 随着科技的不断发展，人类对于材料的研究也越来越深入。石墨烯是一种由碳原子构成的单层平面物质，具有举世闻名的优异性能。它的出现，引起了学界和工业界的广泛关注。但同时，石墨烯也存在着一些问题，例如其带电输运特性较差，容易受到环境的影响。为克服这些问题，科学家采用氧化石墨烯材料来进行性能调控，并探讨其在电化学领域、传感领域等方面的应用。 一、氧化石墨烯的制备及性能调控 氧化石墨烯是一种将石墨烯表面上的碳原子与氧原子结合在一起的化学物质。它是一种重要的二维材料，在电子学、电化学、生物医学和光电领域中有着广泛的应用。制备氧化石墨烯，首先需要将石墨烯表面进行氧化处理。在加入氧气或氧化剂的情况下，原来的石墨烯就会形成氧化石墨烯。 研究者发现，氧化石墨烯的性能可以通过控制氧化程度来进行有效的调控。通过改变氧化石墨烯的氧含量，可以调节氧化石墨烯的电学性能、结构、表面形貌和表面活性，使其适用于更广泛的应用领域。 二、氧化石墨烯的应用 1. 电化学领域 氧化石墨烯在电化学领域有着广泛的应用。通过将氧化石墨烯与其他金属或半导体材料结合，可以制备出更高性能的电池、电容器和储能器件。其中，氧化石墨烯作为电极材料，可以有效提高电极的导电率和储电性能，使其具有更高的能量密度和更长的循环寿命。 另外，氧化石墨烯还可以用于制备传感器和电化学生物传感器。研究发现，氧化石墨烯的表面活性和生物相容性优异，可以将其用于检测血液中的生物分子，如葡萄糖、蛋白质和DNA等，从而为医疗诊断提供了更加精确的数据和信息。
2. 传感领域 随着传感技术的发展，氧化石墨烯也被广泛应用于传感领域。通过在氧化石墨烯表面引入一些金属、半导体或者化学传感器，可以将其用于检测环境中的温度、湿度、气体等物理和化学指标。 一些研究团队甚至将氧化石墨烯作为某些生物传感器的载体，利用其表面活性和生物相容性来检测人体生物分子，如荷尔蒙、生长因子和癌症标记物等。这些研究成果为生命科学和医学领域的研究提供了有力支持。 三、总结 总之，氧化石墨烯作为一种新型的二维材料，在科研和应用领域有着广泛的应用前景。通过控制氧化程度，可以调节氧化石墨烯的性能，使其适用于更加广泛的领域。未来，随着研究的不断深入，氧化石墨烯将有望成为一种重要的新型材料，为人类带来更加广阔的科技和文化创新空间。
石墨烯对电极材料电化学性能的影响研究 电极材料的电化学性能是电池技术中的一个重要因素，其性能直接影响充电和 放电效率、储存能力、寿命等电池性能指标。石墨烯作为一种新型二维材料，具有优异的导电性、热导性和机械性能，因此在电化学领域备受瞩目。本文将对石墨烯对电极材料电化学性能的影响进行研究。 一、石墨烯的电化学性质 石墨烯是一种单层厚度的碳材料，由于其大量的π电子和大表面积，具有很好 的电化学性质。石墨烯的电荷转移速度非常快，比传统电极材料更快，因此具有更高的电导率和更好的储能特性。另外，石墨烯的物理结构也影响其电化学性质，如其球形结构可使其表面积增大，从而改善充电和放电效率等电化学性能指标。 二、石墨烯对电极材料的改性效果 石墨烯可以被加到传统的电极材料中，从而改善材料的电化学性能。石墨烯改 性后的电极材料具有更高的电化学反应速率，压降和内阻减小等优越的性能，有助于电池的高速充放电，提高电池效率和能量密度。 三、石墨烯在超级电容器中的应用 石墨烯不仅可以应用在锂离子电池等传统电池结构中，还可以应用在超级电容 器中，能够提高其能量密度和功率密度。在超级电容器中，“石墨烯/离子液体”电 极的性能也显著地超越了传统的“活性炭/离子液体”电极。 四、石墨烯在燃料电池中的应用 由于石墨烯材料具有很好的导电性和导热性，因此能够被用作燃料电池的断流 板材料，改善燃料电池的催化效率和传输效率。同时，石墨烯的与金属材料的复合物也能够在燃料电池中被应用，构建出高效、低成本、高性能的电化学反应催化剂。
五、石墨烯材料的应用前景 石墨烯材料的优异性能和独特的电化学性质使其在电池领域较为广泛的应用，并且其应用前景十分广阔。石墨烯材料的生产工艺不断改良，也为其在大规模生产中的应用奠定了基础。 综上所述，石墨烯作为一种新型二维材料，具有着优异的电化学性质和性能改善能力。在电池技术中，石墨烯被广泛运用，有助于提高电池的储能特性、充放电效率和寿命等性能指标。石墨烯材料的应用前景也十分广阔，能够为电池技术的发展带来更加可靠、高效的解决方案。
还原氧化石墨烯的电导率 概述 氧化石墨烯是一种具有广泛应用前景的二维材料，但其电导率相对较低。为了提高其电导率，可以通过还原氧化石墨烯来改善其导电性能。本文将介绍还原氧化石墨烯的方法以及其对电导率的影响。 什么是氧化石墨烯 氧化石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料，每个碳原子周围都被氧原子包围形成羟基和羰基官能团。这些官能团使得氧化石墨烯具有较高的亲水性和良好的分散性，但同时也降低了其电导率。 还原氧化石墨烯的方法 还原氧化石墨烯可以通过物理方法或化学方法实现。 物理方法 物理方法主要包括高温还原和激光还原。 高温还原 高温还原是指将氧化石墨烯暴露在高温环境中，使其中的官能团被脱除，从而恢复石墨烯的结构和导电性能。高温还原通常在惰性气氛下进行，以防止氧化石墨烯再次被氧化。 激光还原 激光还原是利用激光的高能量作用于氧化石墨烯表面，将其中的官能团去除。激光可以精确地控制还原区域，从而实现局部还原。激光还原具有操作简便、效率高等优点，但需要注意控制激光功率和作用时间，避免过度加热。 化学方法 化学方法主要包括还原剂法和电化学还原法。 还原剂法 还原剂法是将适当的还原剂与氧化石墨烯反应，使其官能团被去除。常用的还原剂有亚硫酸盐、硼水解物等。这些还原剂可以在室温下进行反应，并且可以有效地去除官能团。
电化学还原法 电化学还原法是将氧化石墨烯作为工作电极，在适当的电位下进行电解，在电极表面产生一层金属或半导体的还原物，从而实现氧化石墨烯的还原。电化学还原法可以精确地控制还原程度，并且可以在室温下进行。 还原对氧化石墨烯电导率的影响 还原氧化石墨烯后，其电导率将显著提高。这是因为还原过程中官能团被去除，使得碳原子间形成更多的π-π堆积，从而增强了电子的传输性能。 此外，还原后的氧化石墨烯表面也具有更好的亲水性和分散性，这对于其在电子器件等应用中具有重要意义。 应用前景 通过提高氧化石墨烯的电导率，可以拓展其在各个领域的应用前景。 电子器件 由于具有优异的导电性能和二维结构特点，还原后的氧化石墨烯可以作为柔性显示器、智能传感器等方面的基础材料。 能源存储 利用还原后的氧化石墨烯作为电极材料，可以提高锂离子电池、超级电容器等储能设备的性能，提高其循环稳定性和充放电速率。 催化剂 还原后的氧化石墨烯可以作为催化剂载体，用于催化反应中，如氧还原反应、水分解等。其高导电性和大比表面积使得其具有较好的催化活性和稳定性。 结论 通过还原氧化石墨烯的方法可以改善其电导率，并且拓展了其在多个领域的应用前景。物理方法和化学方法各有优缺点，可以根据实际需求选择合适的还原方法。随着对氧化石墨烯材料的深入研究，相信在未来会有更多创新的方法来提高其导电性能，并推动其在科学研究和工业应用中发挥更大作用。 参考文献： 1. Zhang, X., Li, H., & Huang, Y. (2012). Two-dimensional graphene nanosheets: preparation, properties and applications. Nanoscale, 4(18), 5726-5743. 2. Park, S., & Ruoff, R. S. (2009). Chemical methods for the production of graphenes. Nature nanotechnology, 4(4), 217-224. 3. Liu, H., Ye, T., & Mao, H. (2011). Graphene: promises, facts, opportunities, and challenges in nanomedicine. Chemical reviews, 112(11), 5012-5067.
新能源电池材料的研究与开发 一、引言 随着全球对气候变化的日益重视，越来越多的国家开始将低碳、环保的新能源发展作为战略性任务。而电池作为新能源的基础材料，其研究与开发也愈加重要。新能源电池材料的研究与开发旨 在提高材料的能量密度、功率密度、稳定性以及降低成本，以满 足新能源发展的需求。 二、锂离子电池材料的研究与开发 锂离子电池作为最广泛应用的电池之一，其材料研究与开发尤 为重要。其中，正极材料的研究主要涉及到材料的结构、电化学 性能以及稳定性等方面。常见的正极材料包括三元材料、钴基材 料和锰基材料等。磷酸铁锂材料是一种高性能的正极材料，由于 其结构稳定性好、电化学性能优良等特点，成为了研究与开发的 热点之一。 在负极材料方面，石墨材料是目前广泛使用的材料之一，但其 储能密度有限，且易热失控，不太适合大规模应用。因此，硅基 负极材料应运而生，其具有高储能密度以及优良的电化学性能， 成为了新能源电池材料研究与开发的潜在热点。此外，氧化钛、 氧化锆等材料也被广泛研究，以期实现更高的电池性能。 三、固态电池材料的研究与开发
固态电池是近年来备受关注的一种新型电池，其具有高能量密度、长寿命、低火灾风险等优点。与传统电池相比，固态电池的电解液为固态或半固态材料，电极材料方面也有所改变。固态电池的研究与开发主要围绕着电解质和正负极材料的研究展开。 目前，固态电池的电解质主要有磷酸盐玻璃、硫酸盐等材料。此外，氧化石墨烯、硅、锡等材料是常用的正极材料。在负极材料方面，碳材料是最为广泛应用的材料之一。固态电池材料的研究与开发还有待进一步加强，以达到更高的能量密度和更稳定的性能。 四、钠离子电池材料的研究与开发 钠离子电池是近年来备受瞩目的电池之一，其具有成本低、资源丰富等优势。与锂离子电池类似，钠离子电池的研究与开发主要涉及正极材料、负极材料和电解质等方面。 在正极材料方面，硫化钠(QS)、磷酸钠等材料均表现出优良的性能。在负极材料方面，石墨和碳基材料仍然是主要的选择，但钠金属和钠纳米颗粒也有所应用。钠离子电池的电解质主要有聚合物电解质和钠盐水溶液等材料。 五、总结 新能源电池作为新一代能源的关键材料，其研究与开发具有重要的意义。目前，针对锂离子电池、固态电池和钠离子电池等方
氧化石墨烯的制备及其催化性能研究 氧化石墨烯是一种重要的二维材料，其拥有极高的比表面积和优异的化学稳定性，在催化、能源存储等领域具有巨大的应用潜力。本文将介绍氧化石墨烯的制备方法及其在催化性能方面的研究进展。 一、氧化石墨烯的制备方法 氧化石墨烯的制备方法主要包括化学氧化法、热氧化法、电化学氧化法等。其中，化学氧化法是目前应用最为广泛的制备方法。 1.化学氧化法 化学氧化法是利用氧化剂将石墨烯氧化为氧化石墨烯。常用的氧化剂包括硝酸、过氧化氢和氯酸。其中，硝酸氧化法是最常用的一种。 硝酸氧化法的制备过程如下：首先将石墨加入硝酸溶液中，然后加热反应，使 石墨充分与硝酸反应生成氧化石墨烯。反应结束后，用水将溶液洗涤干净，并用乙醇将氧化石墨烯分散。最后，将分散液经过旋转蒸发等方法制备成氧化石墨烯纳米片。 2.热氧化法 热氧化法是将石墨烯放入高温氧化气氛中，使其被氧化为氧化石墨烯。该方法 制备的氧化石墨烯较少用于催化等应用领域。 3.电化学氧化法 电化学氧化法是利用电化学方法将石墨烯氧化为氧化石墨烯。该方法具有制备 方便、无需使用高温和毒性氧化剂等优点，但其制备过程相对较慢，且产物质量不稳定。 二、氧化石墨烯的催化性能研究
氧化石墨烯拥有优秀的催化性能，在能源转换与存储、环境治理、生物医学等 领域都有广泛的应用。 1.氧化石墨烯在还原剂方面的应用 氧化石墨烯通过还原制备的还原氧化石墨烯具有优异的电催化还原性能。研究 发现，在氧化石墨烯中加入少量的碳纳米管能够显著提高还原氧化石墨烯的催化活性。此外，氧化石墨烯还可用于还原有机氧化物等物质。 2.氧化石墨烯在催化氧化反应中的应用 氧化石墨烯可以作为一种优良的催化剂，用于催化二氧化碳和氢气的加氢反应、有机化学反应等。研究表明，在氧化石墨烯表面修饰一定的活性基团后，可显著提高其催化性能。 3.氧化石墨烯在环境污染治理中的应用 氧化石墨烯可用于处理各种环境污染物，如有机物、重金属离子和氨气等。研 究发现，利用氧化石墨烯制备的复合材料具有良好的吸附性能和高效的催化降解作用。 4.氧化石墨烯在生物医学领域中的应用 氧化石墨烯还可用于生物医学领域，包括生物传感、荧光成像等。研究表明， 氧化石墨烯纳米片具有良好的细胞毒性和生物相容性，可以用于癌症治疗和细胞成像等方面。 三、总结 氧化石墨烯是一种重要的二维材料，具有优异的化学稳定性和催化性能。当前，氧化石墨烯的制备方法也越来越多样化和成熟化。未来，其在催化、环境治理、生物医学等领域的应用前景将非常广阔。
层次多孔碳-石墨烯复合材料的制备及其电化学性能研究 层次多孔碳/石墨烯复合材料的制备及其电化学性能研究 一、引言 层次多孔碳/石墨烯复合材料因其高比表面积、优异的导电性能和良好的化学稳定性而受到广泛关注。这种材料具有广泛的应用潜力，可用于超级电容器、电池、催化剂等领域。因此，研究层次多孔碳/石墨烯复合材料的制备方法和电化学性能对于探索其应用的可能性非常重要。 二、制备方法 层次多孔碳/石墨烯复合材料的制备可以通过多种方法实现。一种常用的方法是采用模板法。首先，选择适当的模板材料，如硅胶、多孔陶瓷等，并通过热解或化学还原等方法获得多孔碳材料。然后，将多孔碳材料与石墨烯氧化物或石墨烯热还原剂进行混合，再通过热处理或化学还原将其转化为层次多孔碳/石墨烯复合材料。 另一种制备方法是通过溶剂热法。首先，在适当的溶剂中均匀混合碳源和石墨烯氧化物，形成均相混合溶液。然后，在高温下进行溶剂热处理，通过溶液中的碳源的热解和石墨烯氧化物的还原反应，得到层次多孔碳/石墨烯复合材料。 此外，还可以利用其他方法如水热法、电化学沉积法等来制备层次多孔碳/石墨烯复合材料。 三、电化学性能研究 层次多孔碳/石墨烯复合材料具有优异的电化学性能。首先，其高比表面积可提供更多的活性位点，增加离子传输的速率。其次，层次多孔结构可以增强材料的可逆容量和充放电循环稳定性。此外，石墨烯的引入还可以提高材料的导电性能和
电子传导能力。 为了研究层次多孔碳/石墨烯复合材料的电化学性能，可 以采用循环伏安法、恒流充放电法等电化学测试方法。通过这些测试，可以确定材料的比容量、循环稳定性和电荷传输速率等关键参数。研究表明，层次多孔碳/石墨烯复合材料在超级 电容器和锂离子电池中具有良好的电化学性能和应用潜力。 四、应用前景与展望 层次多孔碳/石墨烯复合材料作为一类新型的碳基功能材料，在能源存储和转换领域具有广泛的应用前景。对于超级电容器而言，该材料可以提供高能量和高功率密度的特性，使其成为下一代高性能储能装置的候选材料。对于锂离子电池而言，层次多孔碳/石墨烯复合材料的优异电化学性能有望提高电池 的循环稳定性和倍率性能，如实现快速充电和高容量储能。 然而，目前研究仍存在一些挑战和问题。首先，制备过程中的模板选择、材料组分和处理条件等因素对最终复合材料的性能具有重要影响，因此需要进一步优化制备方法。其次，层次多孔碳/石墨烯复合材料的稳定性和循环寿命仍需要进一步 提高。此外，对于复合材料的结构和电化学性能之间的关系还需要更深入的研究。 总而言之，层次多孔碳/石墨烯复合材料的制备和电化学 性能研究为探索其在能源存储和转换领域的应用提供了重要参考。随着材料制备方法和性能的不断改进，相信层次多孔碳/ 石墨烯复合材料将在电化学领域展现更广泛的应用前景 层次多孔碳/石墨烯复合材料具有良好的电化学性能和应 用潜力，并在超级电容器和锂离子电池等能源存储和转换领域展现广泛的应用前景。该材料能够提供高能量和高功率密度的
钒氧化物正极材料的要求与电池性能优化 钒氧化物作为锂离子电池正极材料具有较高的比容量和电压平台，被广泛应用于新能源领域。 首先，钒氧化物正极材料要求具备良好的离子传输特性。钒氧化物中的离子传输主要是通过锂离子的迁移实现的。因此，材料应具备较高的离子导电率和较低的离子扩散阻抗，以提高电池充放电速率和循环性能。 其次，钒氧化物正极材料还需要具备良好的结构稳定性。充放电过程中，钒氧化物会发生体积变化，容易引发结构破裂和粉化。因此，材料应具备足够的结构强度和稳定性，以减小材料的体积变化，并保持较好的结构完整性。 此外，钒氧化物正极材料的电子传导性也是一个重要的要求。电子在充放电过程中也需要迁移，以维持电池的正常工作。因此，材料应具备良好的电子导电性能，以提高电池的功率性能和循环稳定性。 为了进一步优化钒氧化物正极材料的电池性能，可以采用以下几种策略： 首先，改善钒氧化物材料的结构。可以通过合成纳米材料、制备复合材料或进行表面修饰等手段，以提高材料的电子传导性、离子传输速率和结构稳定性。 其次，引入其它元素进行合金化改性。例如，可以将钒氧化物
与其他金属元素形成合金，以调整材料的离子扩散系数、电子传导性能和结构稳定性，从而提高材料的电池性能。 另外，优化钒氧化物正极材料的电化学性能也是一个有效的方法。可以通过调控材料的氧含量、晶体结构和表面形貌等参数，以提高材料的比容量、电压平台和循环寿命，从而显著改善电池性能。 此外，合适的电池组件设计和电池制备工艺也对钒氧化物正极材料的性能优化起着重要作用。通过合理选择电解液、电解质添加剂和碳负极等材料，以及优化电池的组装和充放电条件，可以进一步提高钒氧化物正极材料的性能。 综上所述，钒氧化物正极材料的要求包括良好的离子传输特性、结构稳定性和电子传导性。通过改进材料的结构和合金化改性、优化电化学性能以及优化电池组件设计和制备工艺，可以进一步提高钒氧化物正极材料的性能，促进锂离子电池的应用。除了上述提到的要求和优化策略，还有一些其他因素也会影响钒氧化物正极材料的性能和电池的性能。 首先，钒氧化物正极材料的晶体结构也会对电池的性能产生影响。钒氧化物正极材料通常存在多种晶相，如方相、针相和单斜相等。不同的晶相在充放电过程中表现出不同的电化学性质，例如不同的电压平台和比容量。因此，精确控制钒氧化物的晶体结构，优选合适的晶相，对于提高电池性能非常重要。 其次，钒氧化物正极材料的电解液也会对电池性能产生影响。
钒电池关键技术与研发方向 一、钒电池简介 针对全球的发展趋势与战略部署，科研人员重点研发高效利用可再生资源，逐步取代高碳排放的传统资源。但是，可再生能源具有波动性、间歇性，受地域环境天气影响较大，使得其不能被完全利用，存在效率低、实际应用不理想等问题，因此需要与储能系统配合应用。储能系统和绿色能源，如扬水储能、锂离子电池、铅酸电池和液流电池等，在偏远地区和特殊环境已有几十年的应用经验。为了更科学合理地创造能源、应对环境天气的不确定因素、高效利用自然地理条件下的能源（太阳能、风能、水能等），目前已发展出多元、大规模、联合储能模式，例如在大型并网储能应用中的扬水储能、压缩空气储能和氧化还原液流电池储能等。 与其他储能技术相比，氧化还原液流电池储能具有明显的优点：（1）容量、功率灵活可控，调整操作简单。液流电池一般外置储液罐，将电堆与电解液分隔开来，其容量可以通过电解液的储量和浓度调控，其功率取决于电堆的大小和连接数量。（2）液流电池的活性物质一般存在于电解液中，活性物质在液相中完成价态的转化，没有常见的固相转变与形貌变化，利于延长循环寿命、保持能量、降低损失。（3）液流电池具有可深度放电的特性，应用广泛，系统封闭，运行无污染，且液流电池的材料易于回收、处理，方便进行再生和其他资源的提取与利用。全钒氧化还原液流电池（又称全钒液流电池）具备以上所有优势。由于中国具有钒资源矿产优势，近年来钒电池相关研究在中国发展迅速，已开始实现商业化应用。 钒电池工作原理如下： 钒电池是通过不同价态钒离子之间的相互转换来实现电能存储与释放的。钒电池的电解液是不同价态钒离子与硫酸的混合液，正极电解液为V4+/V5+硫酸电解液，负极为V2+/V3+硫酸电解液。电解液储存在外接储液罐中，通过外界泵将电解液打入对应的半电池，使电解液在储液罐与半电池间形成循环，两个半电池通过离子交换膜分开，防止正负极电解液交叉污染。钒电池工作原理如下图所示，充电完成后正极电解液变为V5+硫酸溶液，负极变为V2+硫酸溶液；放电完成后，
MXenes和还原氧化石墨烯的改性及在电化学传感中的应 用 MXenes和还原氧化石墨烯是当今电化学传感领域中备受 关注的两种材料。它们具有优异的电化学性能和多功能性，因此在传感器制备和应用中具有巨大潜力。本文将围绕MXenes 和还原氧化石墨烯的改性方法以及它们在电化学传感中的应用展开探讨。 一、MXenes的改性和应用 MXenes是一类新兴的二维材料，由穆德的生产首字母"M"、碳 的生产首字母"X"和金属元素的生产首字母"M"组成。由于具有优异的导电性和化学稳定性，MXenes近年来备受瞩目。然而，MXenes所具有的层状结构和相互堆积性质限制了其在传感器 领域的应用。为了克服这一问题，科学家们对MXenes进行了 多种改性。 一种常见的改性方法是利用MXenes的氧化物相对还原剂 进行还原，从而增加MXenes的导电性。还原氧化物MXenes不仅具有高导电性，还具有更大的表面积和氧化还原活性位点，从而增强了材料的电化学性能和传感性能。研究表明，还原氧化石墨烯可以用作电化学传感器中的电子转移介质和电催化剂，能够提高传感器的灵敏度和响应速度。此外，还原氧化石墨烯可以通过多层简化和化学修饰来实现对电子和离子的高效输运，进一步提高传感器的检测限度和选择性。 另一种改性方法是将MXenes与其他纳米材料进行复合。 例如，将MXenes与金纳米颗粒复合，可以形成具有超大比表 面积和催化活性的复合材料。这种复合材料在电化学传感器中可以用作灵敏层，能够实现更高的灵敏度和检测范围。此外，
将MXenes与碳纳米管、氧化物纳米颗粒等复合，也可以实现 不同的功能和性能，进一步扩展MXenes在传感器领域的应用。 二、还原氧化石墨烯的改性和应用 还原氧化石墨烯是一种由氧化石墨烯还原而来的材料，具有与MXenes类似的优异电化学性能和多功能性。为了进一步改善 还原氧化石墨烯的传感性能，科学家们进行了多种改性。 一种常用的改性方法是将还原氧化石墨烯与其他纳米材料复合。例如，将还原氧化石墨烯与金纳米粒子复合，可以形成具有高导电性和催化活性的复合材料。这种材料在电化学传感器中具有优异的灵敏度和选择性。此外，还原氧化石墨烯与碳纳米管、二维过渡金属化合物等纳米材料复合，也可以实现不同的传感功能和性能。 另一种改性方法是对还原氧化石墨烯进行化学修饰。例如，将还原氧化石墨烯与功能分子进行化学结合，可以引入特定的识别基团或反应位点，从而实现对目标物质的高选择性和高灵敏度检测。此外，通过修饰还原氧化石墨烯的表面电荷或孔隙结构，还可以调控传感器的检测范围和检测限度。 MXenes和还原氧化石墨烯的改性和应用在电化学传感领 域具有广泛的潜力。通过合理的改性方法，可以调控这些材料的电化学性能和传感性能，从而实现对更多目标物质的高灵敏度、高选择性和高稳定性的检测。随着对MXenes和还原氧化 石墨烯及其改性方法的深入研究，相信它们在电化学传感中的应用前景将更加广阔 综上所述，MXenes和还原氧化石墨烯是具有优异电化学 性能和多功能性的材料，在电化学传感领域具有广阔的潜力。通过与其他纳米材料复合或进行化学修饰，可以进一步改善其
钒电池与锂电池的对比钒电池也叫全钒液流电池，是可以作为大容量储能电站的电池，目前是储能电池领域比较热门的一种电池，发展潜力是很大的。 下面是钒电池与锂电池的对比 1、钒电池与锂电池工作原理的不同 全钒液流电池是将具有不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中。在对电池进行充、放电实验时，电解液通过泵的作用，由外部贮液罐分别循环流经电池的正极室和负极室，并在电极表面发生氧化和还原反应，实现对电池的充放电。 锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。
2、钒电池能量存储于电解液中，增加电解液储罐的体积或者提高电解液的浓度均可增加电池容量。即对于相同功率输出的钒电池，可根据需求任意调整容量，非常适合大容量储能应用；锂电池容量则是与正负极材料有关。 3、钒电池输出功率由电池堆中参与反应的面积决定，可通过增加或减少单电池和不同电池组串连和并联调整满足 不同功率需求，目前美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6000kW；锂电池很难做到那么大的储能容量； 4、钒电池充放电不涉及固相反应，电解液的理论使用寿命无限，可以长期使用；锂电池涉及固相反应，电解液使用寿命有限； 5、钒电池反应速度快，可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒，响应速度1毫秒； 6、钒电池理论充放电时间比为1：1（实际运行1.5-1.7：1），支持频繁大电流充放电，深度充放电对电池寿命影响不大，充放电状态下电池正、负极活性物质均为液相，不会出现镍氢电池、锂离子电池等蓄电池因电极上枝状晶体的生长而将隔膜刺破导致电池短路的危险； 7、钒电池能量的存储量可以精确地测量出来；锂电池不能。
聚对氨基苯磺酸修饰石墨毡电极在全钒液流电池中的应用邓奇;周鹏晟;凌伟;吴雄伟;盛航;刘俊杰 【摘要】通过电聚合和高温碳化的方法在石墨毡电极碳纤维表面修饰对氨基苯苯磺酸.用扫描电镜和电化学工作站分别表征了材料的表面形貌和电化学性质.结果表明:在石墨毡纤维表面均匀的分布着聚对氨基苯磺酸反应位点;电极不仅对V3+N2+与VO2+NO2+电对具有很好的电催化性能,而且有效抑制了负极析氢过程,该电极在电流密度为180 mA/cm2情况下,能量效率为70％,表现出优异的综合电化学性能. 【期刊名称】《广州化学》 【年(卷),期】2017(042)001 【总页数】6页(P37-42) 【关键词】对氨基苯磺酸;全钒氧化还原液流电池;电极 【作者】邓奇;周鹏晟;凌伟;吴雄伟;盛航;刘俊杰 【作者单位】湖南农业大学理学院,湖南长沙410128;湖南人文科技学院化学与材料科学系,湖南娄底417000;湖南农业大学理学院,湖南长沙410128;湖南农业大学理学院,湖南长沙410128;湖南农业大学理学院,湖南长沙410128;湖南农业大学理学院,湖南长沙410128 【正文语种】中文 【中图分类】O646.54
进入21世纪，能源问题逐渐受到人们的重视，需要尽快寻找可再生绿色能源来替代逐渐枯竭的化石能源[1]。但是像太阳能、潮汐能、风能等绿色能源，由于它们 的不连续性和不稳定性，需要大规模的储能系统来推动其发展和应用。全钒液流电池作为大规模储能系统的一种，由于它适用范围广、成本低、寿命长、环境友好等优点，自Marria Skyllas-Kazacos等人提出以来就受到了研究者广泛的关注[2-4]。全钒液流电池主要是由电极、电解液、电池隔膜三大主要部件构成；钒电池电极是整个电池的电化学反应的主要场所，它是影响钒电池电化学性能和寿命的关键性因素[5]。在诸多电极种类中，石墨毡作为碳素类电极的一种，它具有机械强度好、 耐腐蚀性优良、导电性强等优点，适用于钒电池强酸性环境中；但是在实际应用中，石墨毡因为电化学可逆性较差和反应活性较低等缺点，其化学稳定性难以支持电池的长时间运行；所以需要对石墨毡基体进行修饰改性处理，增加它的比表面积和表面官能团等，以增加反应所需要的活性位点，最终达到提高电池电化学性能的目的[6-10]。 目前对石墨毡的修饰改性的方法主要有，不同维度的导电碳材料（碳纳米管、石墨烯、3D石墨烯泡沫）对石墨毡修饰改性，其中Minjoon Park等人用碳纳米纤维/碳纳米管作为电极反应催化剂，700℃下高温热解得到了碳纳米纤维/碳纳米管复 合的石墨毡电极，其在电化学性能测试中，在电流密度为40和100 mA/cm2下 放电容量和能量效率提高了64%和25%[11]。通过化学或者物理方法将金属或金 属氧化物作为一种高活性的催化剂（Pt[12], Ir[13], WO3[14], Mn3O4[15]）沉积在石墨毡电极上，可以极大的提高VRFB的电化学性能。如Bin Li等人利用电化 学沉积法将Bi金属沉积到石墨毡表面，明显地促进了V3+/V2+的氧化还原反应。并且在150 mA/cm2下，电池的能量效率提高了11%[16]。 本文采用电聚合的方法，将对氨基苯磺酸原位聚合在石墨毡碳纤维表面上，通过高温分解的方法在石墨毡碳纤维表面上形成反应活性场所，从而提高石墨毡电极电化
石墨毡电极酸、热处理方法对全钒液流电池性能的影响 孙红;刘浩然;李洁;庄凯明 【摘要】目的研究聚丙烯腈基(PAN)石墨毡电极的酸、热处理方法对全钒液流电 池放电性能及交流阻抗的影响.方法先对石墨毡在不同酸、热条件下进行处理,然后对处理后的石墨毡电极进行循环伏安特性试验和SEM表面测试分析,最后再将处理后的石墨毡电极组装到全钒液流电池中,对电池进行性能试验,采用等效电路法对交 流阻抗进行分析.结果酸化处理和热处理可以提高电池的性能,降低法拉第电阻阻值,使电化学反应变得容易.试验表明经过酸处理(98％H2SO4、5 h)和热处理(400℃、30 h)石墨毡电极性能较好.结论酸处理后的石墨毡电极表面含氧官能团数量增加, 对电化学反应有催化作用;热处理后的石墨毡电极表面活化位置增多,有效比表面积 增大,进而提高了钒电池的性能. 【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2018(034)006 【总页数】8页(P1110-1117) 【关键词】全钒液流电池;酸化处理;热处理;聚丙烯腈基石墨毡 【作者】孙红;刘浩然;李洁;庄凯明 【作者单位】沈阳建筑大学交通工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工 程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑 大学机械工程学院,辽宁沈阳110168 【正文语种】中文
【中图分类】TM911.4 全钒液流电池(All vanadium redox flow battery,AVRB)是一种新型、环保、高效的储能电池,可以通过电解液中不同价态钒离子的相互转化实现循环充放电.AVRB 储能技术由于具有储能规模大、能量效率高、易于系统集成和规模放大、可深度充放电、安全可靠、使用寿命长,环境友好等突出优势,在太阳能及风能存储、电网调峰、电动汽车电源等领域有着广泛的应用[1-3].全钒液流电池在充电过程中,正极电解液中的VO2+和负极电解液中的V3+通过蠕动泵传送到多孔电极发生氧化还原反应,正极电解液中的VO2+转变为负极电解液中的V3+转变为V2+;放电过程,发生可逆的氧化还原反应. 全钒液流电池的关键材料包括电解液、质子交换膜和电极等.电极作为其重要的部件之一,其材料主要以石墨毡纤维为主.因为石墨毡纤维的石墨微晶小,处于碳纤维表面边缘和棱角的不饱和碳原子数目多,表面活性较高,比较适用于全钒液流电池.但是,未经过处理的石墨毡电化学活性和可逆性较差,长期使用时容易发生氧化脱落[4-5].国内外学者对石墨毡材料的改性处理开展了许多研究,刘素琴等[6]研究了聚丙烯腈基石墨毡的氩气气氛热处理方法,确定了石墨毡电极的最佳处理条件;刘然等[7]为提高石墨毡电极的反应活性,研究了影响电极反应活性的关键因素;Li X G等[8-9]研究了钒电池用电化学处理的石墨毡电极,发现含氧官能团数目和电极比表面积增加,从而增大了电极活性;GONZLEZ Z等[10]通过用纳米分散铋对正极电极进行处理,试验发现经改性的石墨电极电化学活性得到提高;HADDADI-Asl V[11]研究发现,在石墨毡的热处理过程中,石墨毡电极的活性显著增加;李雯雯等[12]使用氨氟化方法修饰石墨毡电极,研究了处理后的电极对全钒液流电池正、负极反应的电化学性能和催化活性的影响;马奇会[13]利用离子交换的方法在石墨毡表面引入锰、钴、镍金属,并对改性石墨毡进行测试;王彩虹[14]研究了PAN石墨毡的活化处理,然后将它
不同还原方法制备石墨烯及其电化学性能 屈杨;汪伟伟;杨茂萍 【摘要】采用Hummers改进法制备氧化石墨烯,分别选取水合肼、硼氢化钠、铝粉对所制备氧化石墨烯进行还原处理,用红外光谱(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线电子能谱(XPS)对样品进行了结构、谱学、形貌表征,用高性能电池检测系统和电化学工作站对样品进行充放电测试、循环测试、CV测试和EIS测试分析.结果表明,所制备的氧化石墨烯分布相对均一、团聚现象较弱、片层厚度为1.107 nm、片层层数约为1～2层,C/O比为1.6.经过三种还原方法处理的石墨烯的含氧官能团在氧化石墨烯基础上都出现明显下降,C/O质量比分别提高到6.4、5.3、3.7.对三种不同还原方法制备的石墨烯(rGO/N2H4·H2O、rGO/NaBH4、rGO/AIP)进行电化学性能研究,导电性呈现rGO/N2H4·H2O＞rGO/NaBH4＞rGO/AIP趋势.导电性高,所制得的电池反应活性较高、极化较低,进而表现出较好的倍率和循环性能,GO/N2H4·H2O、 rGO/NaBH4和rGO/AIP的0.2 C放电比容量分别为158.4、153.3和144.8 mAh/g;其中rGO/N2H4·H2O的导电性最高,表现出更好的倍率性能和循环性能,1C倍率保持95.5％、2C倍率保持仍能达到90.1％,0.2C@RT 800次循环后,容量保持率仍能达到95.3％,而rGO/NaBH4、rGO/AIP分别为91.1％和89.6％,相对较低. 【期刊名称】《电源技术》 【年(卷),期】2018(042)007 【总页数】5页(P932-936)