黄金城最新娱乐网站|技术解析:我国石墨烯基超级电容器研究进展

企业新闻 | 2021-01-22
本文摘要:超级电容器是最有前途的电化学储能技术之一。

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超级电容器是最有前途的电化学储能技术之一。目前,超级电容器的研究重点是提高能量密度和功率密度,开发高比表面积、高电导率和高结构稳定性的电极材料是关键。

石墨烯因其比表面积大、电导率低、力学性能好而成为理想的电容器材料。但石墨烯的理论容量并不低,使得石墨烯电极制备过程中更容易再次填充,导致比表面积和离子电导率增加。因此,开发合适的制备方法、标记石墨烯或用其他材料形成填充电极材料是解决问题的有效途径。综述了石墨烯电极的研究进展及其在双电层电容器、法拉第电容器和混合超级电容器中的应用,重点介绍了石墨烯凝胶薄膜电极的制备工艺,以增强石墨烯电极在超级电容器构建中的应用。

传统化石能源资源的短缺和环境的改善极大地促进了太阳能和风能等可再生能源的发展。但是,太阳能和风能具有波动性和间歇性,必须使用有效的储能装置来保证它们在电网中顺利工作的需要。

同时,电动汽车行业发展缓慢,迫切需要开发低成本、环保、低能量密度的储能装置。超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的一种电化学储能装置,其容量可达数百甚至数千法拉左右。自1975年康威首次明确提出法拉第储能原理以来,超级电容器的研究和发展已经取得了长足的进步。

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美国NEC、松下、本田、日立、Maxell等公司开发的一些小型超级电容器已经开始投放市场,用于小型移动电子设备、汽车能源再利用等领域。法国SAFT公司和韩国NESE公司也在研发超级电容器。美国的USMSC计划、日本的NewSunshine计划和欧洲的PNGU计划都将超级电容器列为研发内容。在我国,超级电容器关键材料的研究制造技术被列为《国家中长期科学和技术发展纲要(20062020年)》,是能源领域的前沿技术之一。

超级电容器作为一种新型电化学储能装置,具有容量大、功率密度低、对环境无污染、循环寿命长、温度范围宽等优点。它们已广泛应用于可用电力系统、便携式电子设备和电动汽车领域。对于具有随机性和间歇性的可再生能源发电,超级电容器在风力发电中的应用可以提高风电场的运行安全性。

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超级电容器的基本结构和应用部件如图1右图所示。根据储能机制,超级电容器可分为双电层电容器(EDLCs)和法拉第固定电容器(也称为伪电容器)。近年来,国内外超级电容器储能技术的基础研究呈现爆炸式快速增长,取得了许多新的突破。

双电层电容器的储能机理是在大比表面积碳材料电极与电解质的界面导电时,电荷通过负离子储存在界面双电层中,通过电化学极化和共轭吸收/解吸来储存和释放能量。双电层电容器的电极主要由多孔碳材料制成,如活性炭、碳纳米管、介孔碳和碳化物衍生碳。

对于这些碳材料,要求双电层电容器性能的主要因素是材料比表面积、电导率和孔隙率,但很少有碳电极材料能在这三个方面表现良好。因此,人们仍在研究碳基双电层电容器材料。准电容器的储能机理是在具有水解还原活性的电极表面,电极与电解质之间再次发生缓慢的共轭水解还原反应,扩大储能和释放。这种电容器的电极材料主要包括表面光滑的材料 与双电层电容器相比,伪电容器的容量更大,但由于材料的良好导电性,当材料再次发生水解和还原反应时,结构更容易破坏,因此能量密度和循环性能更好。

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为了进一步提高超级电容器的能量密度,近年来发展了混合超级电容器,也称为非平面超级电容器。其中一种近用具有水解还原活性的电极材料通过电化学反应储存和转化能量,另一种近用碳材料通过双电层储存能量。在混合超级电容器中,储能过程主要发生在电极表面,电极材料的比电容、电导率、比表面积和结构稳定性是混合超级电容器储能和转换性能的决定性因素。

因此,为了提高能量密度和功率密度,双电层超级电容器、法拉第电容器和混合超级电容器的电极材料必须具有大比表面积、低电导率和结构稳定的特点。石墨烯是一种单层层状结构的碳材料,其中含有碳原子。石墨烯具有相当大的比表面积(2675m2/g),优异的电导率和热导率,较高的机械强度,符合低能量密度、低功率密度的超级电容器对电极材料的排斥。

石墨烯是超级电容器的理想电极材料。石墨烯在超级电容器中的应用基础研究成果层出不穷。

石墨烯和包括填充电极材料在内的其他材料通过不同的制备和制备工艺应用于双电层电容器、法拉第电容器或混合超级电容器。本文将近年来石墨烯电极材料在三种不同类型超级电容器中的应用综述如下。


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