鉅大LARGE | 點擊量：1987次 | 2018年05月28日
石墨烯復合材料在超級電容器中的研究情況
摘要：至2004年石墨烯被發現以來，關于石墨烯復合材料的研究一直炙手可熱。本文從聚苯胺/石墨烯和二氧化錳/石墨烯復合材料兩方面，綜述了這兩種材料在超級電容器電極材料的研究進展，展望了以后在超級電容器電極材料上的良好應用前景。
邢瑞光；李亞男
(內蒙古科技大學稀土學院，包頭014010)
碳元素廣泛存在于自然界，除了最為人們所熟知的石墨和金剛石外，1985年發現的富勒烯和1991年發現的碳納米管擴大了碳材料的家族。也使人們對碳元素的多樣性有了更深刻的認識。同時，富勒烯和碳納米管所引發的納米科技對人類社的發展在未來有著極其重大的意義。作為碳材料中最新的一員—石墨烯是擁有sp2雜化軌道的二維碳原子晶體，由英國曼徹斯特大學的Geim等于2004年發現，并能穩定存在，這是目前世界上最薄的材料—單原子厚度的材料。石墨烯不僅有優異的電學性能(室溫下電子遷移率可達200000cm2V-1s-1)，質量輕，導熱性好(5000Wm-1K-1)，比表面積大(2630m2g-1)，它的楊氏模量(1100GPa)和斷裂強度(125GPa)也可與碳納米管相媲美，而且還具有一些獨特的性能，如量子霍爾效應、量子隧穿效應等。由于以上獨特的納米結構和優異的性能，石墨烯可應用于許多的先進材料與器件中，如薄膜材料、儲能材料、液晶材料、機械諧振器等。石墨烯是單層石墨，原料易得，所以價格便宜，不像碳納米管那樣價格昂貴，因此石墨烯有望代替碳納米管成為聚合物基碳納米復合材料的優質填料。在石墨烯諸多性質中，其中比表面積高和導電性好，最重要的是石墨烯本身的電容為21μF/cm2，達到了所有碳基雙電層電容器的上限，這比其他碳材料都要高，是制造超級電容器的理想材料。
超級電容器(Supercapacitors)，也叫電化學電容器(Electrochemicalcapacitors)是一種能量密度和功率密度介于傳統電容器和電池之間的新型儲能器件，超級電容器兼具蓄電池和傳統電容器的優點，如能量密度高、功率密度高、可快速充放電、循環壽命長、具有瞬時大電流放電及對環境無污染等特性，是近十年來發展起來的新型儲能、節能設備。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由于石墨烯是理想的超級電容器填充材料，所以將其與其他材料復合來制備超級電容器材料備受大家關注。
復合材料主要有兩類，第一種是石墨烯與高分子導電材料復合，其中研究最多的是石墨烯與聚苯胺復合材料。第二種是石墨烯與金屬氧化物復合，其中研究最多的是石墨烯與二氧化錳復合材料。本文主要就這兩種復合材料的研究做一簡單綜述。
石墨烯與聚苯胺復合材料在超級電容器材料方面應用，除了前面提到的石墨烯的特殊性能外，還有就是聚苯胺具有高電導率、易于合成、單體成本低等優點。Zhao等在酸性條件下利用原位聚合法制備了聚苯胺/石墨烯復合材料，發現聚苯胺均勻吸附在石墨烯的表面，或者均勻分散于石墨烯片層之間，在電流密度為0.1A/g時，比電容高達480F/g，并且具有良好的循環性。
Li等在石墨烯片上進行原位陽極電聚合生成聚苯胺，得到的復合材料抗張強度達到12.6MPa，有高而穩定的電化學電容(重量比容為233F/g，體積比容為135F/cm3)，超過其他許多現在可用的碳基柔性電極，因此在柔性超級電容器方面有很大前景。
Shi等首先將化學改性的石墨烯與聚苯胺纖維配成穩定混合液，然后通過真空過濾得到石墨烯/聚苯胺纖維薄膜復合材料，在這些薄膜中聚苯胺纖維均勻分散在石墨烯夾層之間，復合材料有穩定的機械性能和高的柔韌性，能夠彎曲很大的角度得到想要的形狀，當改性石墨烯的含量為44%時電容最大，為210F/g。
Yan等報道了通過一種簡單快速的溶液混合，原位聚合的方法獲得了聚苯胺與石墨烯的復合紙，這種復合材料有很好的電學性質，值得一提的是這個復合紙在生物領域有著潛在的應用價值。Wei等將官能化的石墨烯和聚苯胺納米顆粒復合得到1046F/g的電容，這幾乎是純聚苯胺材料的2倍。
第二種是石墨烯與金屬氧化物復合，其中研究最多的是石墨烯與二氧化錳的復合材料。Wei等將高錳酸鉀與石墨烯混合，利用微波輻射的方法將高錳酸鉀還原成二氧化錳，還原成的二氧化錳沉積在石墨烯表面，這樣的復合材料做陽極，活性炭做陰極得到電容為114F/g，
循環次數可達到1000次得超級電容器。Yang等通過自組裝的方法得到多層聚二烯丙基二甲基氯化銨改性的墨烯石和二氧化錳的復合材料具有較高的電容和較高的循環次數。
綜上所述，隨著社會不斷地進步，資源不斷地消耗，經濟不斷地發展，石墨烯復合材料必將在未來的電子領域發揮極其重要的作用。
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