一张图看懂石墨烯基超级电容器

石墨烯负极材料的用途石墨烯作为一种新型材料，具有许多独特的特性和潜在的应用。

其中，石墨烯负极材料作为一种重要的电池材料，具有广泛的用途。

本文将介绍石墨烯负极材料的用途，并深入探讨其在锂离子电池、超级电容器和燃料电池等领域的应用。

石墨烯作为锂离子电池负极材料的应用已经引起了广泛关注。

锂离子电池是目前广泛应用于移动通信、电动车辆、储能等领域的重要能源储存设备。

石墨烯作为一种理想的负极材料，具有高比表面积、优异的电导率和良好的化学稳定性，能够显著提高锂离子电池的容量和循环寿命。

石墨烯负极材料在锂离子电池中的应用，可以大幅提升电池的性能，实现更高的能量密度和更长的使用寿命。

石墨烯负极材料在超级电容器领域也具有重要的应用价值。

超级电容器是一种高性能能量储存装置，具有快速充放电速度、长循环寿命和较高的功率密度等特点，被广泛应用于电动车辆、可再生能源等领域。

石墨烯作为超级电容器的负极材料，可以显著提高电容器的能量密度和功率密度，改善其循环寿命和充放电性能。

因此，石墨烯负极材料在超级电容器领域具有广阔的应用前景。

石墨烯负极材料还可以用于燃料电池。

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有高能量转化效率、无污染排放等优点，被视为未来清洁能源的重要组成部分。

石墨烯作为燃料电池的负极材料，可以提高电子传输速率和电化学活性，提高燃料电池的性能和稳定性。

石墨烯负极材料的应用可以促进燃料电池技术的发展，推动清洁能源的大规模应用。

除了上述应用领域，石墨烯负极材料还具有其他潜在的应用价值。

例如，石墨烯负极材料可以用于太阳能电池、柔性电子器件等领域，以提高其性能和稳定性。

此外，石墨烯负极材料还可以用于储能设备、传感器等领域，满足不同领域对高性能能源储存和传感器材料的需求。

石墨烯负极材料作为一种具有独特特性的新型材料，具有广泛的应用前景。

其在锂离子电池、超级电容器和燃料电池等领域的应用，可以显著提高电池的能量密度、循环寿命和充放电性能。

俄亥俄州代顿市Nanotek Instruments公司新研制的石墨烯超级电容器，单位质量可储存的能量相当于镍氢电池，打破了世界纪录，而且充电或放电只需要短短几分钟、甚至几秒钟，有望取代电池。

相关研究论文发表在Nano Letter上。

该超级电容器电极的制备采用了石墨烯，混合5%的超级P(一种乙炔黑，作用相当于导电添加剂)和10%的聚四氟乙烯(PTFE)结合剂。

研究人员把产生的悬浮液涂在集电器表面，把硬币大小的电容器安装在隔离箱里。

电解质-电极界面的制备，采用了“Celguard隔膜-3501”，而电解液是一种化学品，叫做EMIMBF4。

该公司对硬币大小超级电容器的测试表明，石墨烯电极的超级电容器的能量密度为85.6 Wh/kg，而镍氢电池和锂离子电池分别为40-100 Wh/kg和120 Wh/kg，这是有史以来基于碳纳米材料的双电层超级电容器所达到的最高值。

研究小组成员还包括来自Angstron材料研究所的科学家，他们正在努力工作以进一步提高超级电容器的能量密度。

电容器电极材料研制方面取得系列进展。

超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种新型储能器件，具有绿色环保、充电时间短、使用寿命长和工作温度范围宽等优点，其核心部件是性能优异的电极材料。

石墨烯片（GS），作为一种新型的碳材料，具有良好的导电性和大的比表面积，预计将其作为超级电容器的电极材料具有广阔的应用前景。

但是纯石墨烯表面缺少功能基团导致其很难与其它材料复合或在器件上进行组装，从而限制了其深入应用。

因此，对石墨烯表面进行化学修饰以便于获得各种功能复合材料是当前研究的一个热点。

图1：不同PANi含量的PSS-GS/PANi“纸”电极（左）和PSS-GS与PANi纳米纤维之间的静电吸附示意图（右）图2 ：PSS-GS与二氧化锰在基底上的层层自组装示意图固体润滑国家重点实验室研究人员利用化学修饰后的石墨烯（PSS-GS）与聚苯胺（PANi）纳米纤维之间的静电吸附作用，制备了PSS-GS/PANi 复合材料胶体溶液，然后抽虑成膜得到了柔性的PSS-GS/PANi复合“纸”电极材料。

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。

超级电容器电极材料制备与性能研究超级电容器是一种新型的储能装置，潜力巨大。

由于它的高功率密度、长寿命、快充快放等特点，在新能源、制动能量回收、能量储存等领域得到了广泛的应用。

超级电容器的核心是电极材料，因此电极材料制备与性能研究是超级电容器技术研究的关键。

超级电容器的电极材料主要包括活性材料、电导添加剂、导电子材料等，其中活性材料是超级电容器电极材料的核心。

活性材料对于超级电容器的性能和成本起着至关重要的作用，因此其制备技术和性能研究成为超级电容器技术研究的重点。

活性材料是超级电容器电极材料中的核心，是储存电荷的重要成分。

目前常见的超级电容器电极材料主要有金属氧化物、碳材料、聚合物等，但是这些材料都存在着不同程度的缺点。

金属氧化物具有较高的比容量、较高的功率密度和较长的寿命，但在循环稳定性和低温性能方面表现不佳；碳材料的比电容相对较低，但是具有较优良的低温和循环稳定性；聚合物材料在高频领域具有卓越的性能，但是比容量较小。

因此，在活性材料的研究和制备方面，面临着如何综合优化电容量、功率密度、循环稳定性、低温性能等不同需求的问题。

金属氧化物在超级电容器电极材料中应用广泛，但存在不同程度的问题。

钛酸锂材料的比容量较高，但由于其电导率较低，使用较少。

氧化铅材料的比容量小，但可在循环稳定性和低温性能方面表现突出。

氧化锰材料在较宽温度范围内表现出较好的性能，但在一些高功率应用场合下，其容量衰减快的问题较为突出。

碳材料是一种理想的超级电容器电极材料，因其良好的电化学性能、高倍率性能、循环稳定性和低温性能等优良特性被广泛研究。

碳材料主要包括活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等。

活性炭是一种开孔材料，具有极高的比表面积，能够提供大量的储电空间。

碳纤维和碳纳米管具有较好的导电性质和高倍率性能，可以提供快速的电荷转移和释放。

石墨烯作为一种新型的二维材料，具有高导电性、高比表面积和理想的电化学反应界面，被视为超级电容器电极材料的理想选择。

姓名：李雄杰学号：20071050198专业：物理学石墨烯的结构性能及应用（云南大学物理科学技术学院物理系云南昆明650091）摘要：石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚。

石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性，是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统，且具有丰富而新奇的物理特性。

本文详细介绍了石墨烯的结构，特殊性能及相关应用。

关键词：石墨烯；结构性能；相关应用一、引言石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料【1】石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。

在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。

石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。

石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。

石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景【2】正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

图1石墨烯结构图石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率(2×105cm2／v)，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积(2630mZ／g)。

这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景【3-4】二．石墨烯的特殊性能石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的【5】,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。

石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm2／(V·s)(载流子浓度n≈1013cm-2)，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散作者简介：李雄杰（1987-）、男，湖南人，云南大学物理学专业在读本科生，主要研究碳纳米材料及应用。

基于石墨烯负极赝电容正极的超级电容器电极材料制备及性能研究超级电容器的能量密度E与其比电容Cm成正比,而与其工作电压U的二次方成正比(E=1/2CmU2)。

因此,提高工作电压是提高超级电容器能量密度的有效途径。

利用储能电位范围不同的正、负极材料组装非对称型超级电容器,可有效提高工作电压,进而提高能量密度。

本文研究了氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)的水热还原,构建了三维分布还原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide, rGO),研究了Ni(OH)2纳米片阵列和NiO多孔纳米片阵列的制备。

利用X-射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)研究了GO的还原,利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了产物形貌,利用X-射线衍射(XRD)研究了产物晶体结构。

利用循环伏安(CV)扫描、恒电流充放电、电化学交流阻抗(EIS)等技术研究了产物的超电容性能。

以rGO为负极、分别以Ni(OH)2纳米片阵列和NiO多孔纳米片阵列为正极,组装了非对称模拟超级电容器,并研究其性能。

首先将GO分散于具有三维结构的泡沫镍(NF)基底上,然后对其进行水热还原,制备分布于三维NF基底上的还原氧化石墨烯(NF/rGO)。

XPS和Raman光谱研究结果表明,水热还原可有效去除GO上的含氧官能团,并对其结构缺陷有一定的修复作用。

TEM和SEM观测结果表明,rGO形成很薄的片层,呈现出透明褶皱结构,NF/rGO上的rGO紧密附着于基底上形成三维分布,这有利于rGO与电解液充分接触而发挥储能性能。

NF/rGO的CV曲线具有双电层电极材料典型的矩形,其恒电流充电与放电曲线基本成线性、且相互对称。

在NF/rGO的交流阻抗波特图上,低频区的相位角接近-90°,表明其具有良好的超电容性能。

研究了水热反应温度、水热体系中GO浓度、水热反应次数及水热反应时间对产物性能的影响,发现在2 mg/ml的GO分散体系中,150℃下保温1h,水热还原1次制备的NF/rGO-2-150-1h-1超电容性能优异,其波特图上低频区相位角为-86.5°,充放电电流密度为0.5 A/g时的比电容为184.5 F/g。

Value Engineering碳元素广泛存在于自然界，除了最为人们所熟知的石墨和金刚石外，1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管扩大了碳材料的家族。

也使人们对碳元素的多样性有了更深刻的认识。

同时，富勒烯和碳纳米管所引发的纳米科技对人类社的发展在未来有着极其重大的意义。

作为碳材料中最新的一员—石墨烯是拥有sp2杂化轨道的二维碳原子晶体，由英国曼彻斯特大学的Geim等[1]于2004年发现，并能稳定存在，这是目前世界上最薄的材料—单原子厚度的材料。

石墨烯不仅有优异的电学性能（室温下电子迁移率可达200000cm2V-1s-1）[2]，质量轻，导热性好（5000Wm-1K-1）[3]，比表面积大（2630m2g-1）[4]，它的杨氏模量（1100GPa）和断裂强度（125GPa）[5]也可与碳纳米管相媲美，而且还具有一些独特的性能，如量子霍尔效应、量子隧穿效应[6]等。

由于以上独特的纳米结构和优异的性能，石墨烯可应用于许多的先进材料与器件中，如薄膜材料[7]、储能材料[4]、液晶材料[8]、机械谐振器[9]等。

石墨烯是单层石墨，原料易得，所以价格便宜，不像碳纳米管那样价格昂贵，因此石墨烯有望代替碳纳米管成为聚合物基碳纳米复合材料的优质填料。

在石墨烯诸多性质中，其中比表面积高和导电性好，最重要的是石墨烯本身的电容为21μF/cm2，达到了所有碳基双电层电容器的上限，这比其他碳材料都要高，是制造超级电容器的理想材料。

超级电容器（Supercapacitors），也叫电化学电容器（Electrochemical capacitors）是一种能量密度和功率密度介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，超级电容器兼具蓄电池和传统电容器的优点，如能量密度高、功率密度高、可快速充放电、循环寿命长、具有瞬时大电流放电及对环境无污染等特性，是近十年来发展起来的新型储能、节能设备。

由于石墨烯是理想的超级电容器填充材料，所以将其与其他材料复合来制备超级电容器材料备受大家关注。

石墨烯超级电容
石墨烯超级电容是一种利用石墨烯材料制造的超级电容器。

石墨烯是由碳原子形成的二维晶体结构，具有高度的导电性、导热性和机械强度，是一种非常理想的电子材料。

相对于传统电容器，石墨烯超级电容具有以下几个显著优势：
1. 高能量密度：石墨烯超级电容器具有较高的能量存储密度，可以存储更多的电能。

2. 高功率密度：石墨烯超级电容器具有快速充放电速度，可以在短时间内释放大量的电能。

3. 长寿命：石墨烯超级电容器具有良好的循环稳定性和长寿命，可以进行数万次的充放电循环。

4. 安全性：相对于传统锂离子电池，石墨烯超级电容器不会因为电池燃烧等问题造成爆炸，具有更高的安全性。

由于石墨烯超级电容器具有以上优势，因此被广泛应用于电动车、储能系统、智能手机和电子设备等领域，为电子产品的使用提供了更长久的电力支持。

此外，还有一些研究在探索如何将石墨烯材料与其他材料相结合，以进一步提高石墨烯超级电容器的性能。

05025樊泽文等：用于超级电容器的高性能石墨烯/CoMo（）复合电极文章编号：1001-9731（2021）05-05025-08用于超级电容器的高性能石墨烯/C0M0O4复合电极*樊泽文，任晶，任瑞鹏，吕永康（太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室，太原030024）摘要：高性能超级电容器电极材料的开发对于缓解当前的能源危机势在必行，设计和优化混合过渡金属氧化物并研究电化学性能和循环寿命对于超级电容器的实际应用至关重要。

在已开发的混合过渡金属氧化物中，由于电活性材料的导电率差并且与电解质的接触受限制，大大限制了所制备电极的电化学性能。

我们在本文中提出了一种合成石墨烯/CoMoO,纳米片的有利设计，使活性材料均匀生长在三维石墨烯泡沫的网状骨架上，充分提高了活性材料的利用率，其独特的结构也增加了电活性材料与电解质界面之间的接触，使赝电容反应充分发生。

由于石墨烯的高电子传输速率和CoMoO,纳米片的高活性，三维复合电极具有出色的电化学性能，具有相对较高的面积比电容（在1mA cm2下为2737mF cm2）和出色的循环稳定性（在10mA cm2下进行4000次循环后，保留原始比电容的81.76%）这些出色的结果表明,石墨烯/CoMo（O纳米片复合材料具有巨大的潜力，可作为高性能超级电容器的电极材料。

关键词：石墨烯；C o M o（）4；纳米片；超级电容器中图分类号：TB332文献标识码:A0引言全球不可再生能源正在迅速消耗，并带来了各种例如极端气候变化等不利情况。

地球上现有的可再生资源，例如太阳能和风能，在使用中存在一个关键缺陷：不能连续使用。

可持续可再生能源的研究和开发已经迫在眉睫，电池和电化学电容器作为现当今的两大能量存储系统已被广泛研究［3］。

与电化学电池和燃料电池相比，基于电化学电容器的储能设备具有更高的功率密度，更快的充放电能力，更长的循环寿命,以及更高的使用寿命［47］。

其中，基于碳基活性材料的双电层电容器的能量密度非常低，因此当前大多数研究集中在贋电容器上。