石墨烯基高性能電化學儲能材料研究.pdf

1、石墨烯從2004年被發(fā)現(xiàn)后，因其具有很高的導電性和比表面積、較寬的電化學窗口和良好的化學穩(wěn)定性，被認為是一種理想的儲能材料。但是團聚/重新堆疊阻礙了它在形成塊體材料后發(fā)揮單層石墨烯的優(yōu)勢。本文利用化學轉(zhuǎn)化石墨烯之間的膠體作用和石墨烯片內(nèi)在的折皺現(xiàn)象，首次采用仿生學方法制備了多層石墨烯準平行組合、同時在溶劑化作用下又可以實現(xiàn)石墨烯片分離的特殊結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，這種材料可以提供開放且連續(xù)的孔結(jié)構(gòu)，使得電解質(zhì)溶液很容易到達單層石墨烯表面。在

2、此基礎(chǔ)上，分別采用SEM、機械拉伸測試、體積和電導率對pH/鹽響應(yīng)實驗，以及納米顆粒過濾實驗來研究石墨烯凝膠薄膜的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)石墨烯凝膠（SSG）薄膜是一種石墨烯片準定向排列但又沒有重新堆疊，且具有多孔、化學穩(wěn)定、電導率高、機械強度大的凝膠薄膜?；赟SG薄膜系統(tǒng)我研究了石墨烯基材料的電化學儲能特性。
　　首先，將SSG薄膜直接作為超級電容器電極。結(jié)果表明，使用1M H2SO4溶液為電解液時，SSG薄膜可以獲得最大為215 F/g的

3、比電容（0.108 A/g），在充放電電流為108 A/g時，SSG薄膜和冷凍干燥SSG薄膜的比電容分別為180和71 F/g；在充放電電流高達540 A/g甚至1080 A/g時，SSG薄膜超級電容器的電容仍能保持在170 F/g和158 F/g，其工作頻率可達75 Hz，在5.52 Wh/kg的能量密度下可提供峰功率密度高達414 kW/kg！在高倍率（108 A/g）下循環(huán)10000次，其電容保持97％。若采用中性硫酸鋰溶液為電解

4、液，SSG薄膜可以獲得1.6 V的操作電壓，在1 A/g的充放電電流條件下，可獲得202.3 F/g的比電容，對應(yīng)的能量密度可達到17.82 Wh/kg，為硫酸溶液為電解液時所得到最大能量密度的2.66倍；在電流密度高達200 A/g時，仍然可以得到138.1 F/g的比電容。
　　其次，將石墨烯水凝膠薄膜置換為石墨烯離子液體凝膠薄膜，結(jié)果表明，石墨烯離子液體凝膠薄膜可以在4V的工作電壓下穩(wěn)定運行，充放電電流為1 A/g時其比電容

5、達到273.1 F/g，在50 A/g和100 A/g的電流密度下分別獲得180.3和168.0 F/g的比電容，其能量密度和平均功率密度分別達到150.9 Wh/kg和198.9 kW/kg。
　　第三，以 SSG薄膜作為基底，通過原位化學聚合的方法來制備PANi@SSG水凝膠薄膜。當使用硫酸溶液為電解液時，可獲得645.5 F/g的比電容，在充放電電流高達86.2和258.6 A/g時，分別獲得612.2和600.3 F/g的

6、比電容。此外，PANi@SSG薄膜基超級電容器可以在86.2 A/g的充放電電流條件下進行10000次循環(huán)后仍然能保持90%以上的比電容。PANi@SSG薄膜能夠提供高達22.1 Wh/kg的能量密度，以及在平均功率密度為18.9 kW/kg時獲得16.3 Wh/kg的能量密度。
　　第四，采用溶液法該方法制備了氧化石墨烯/碳納米管薄膜和石墨烯/碳納米管薄膜，分別可以得到最高153.6和271.2 S/cm的電導率；而且后者可以直

7、接作為超級電容器的電極，在充放電電流為0.1 A/g時，比電容為140 F/g，在100 A/g時，石墨烯/碳納米管（ER-GO/CNT(1:1)）所制的超級電容器仍具有90 F/g的比電容。此外，與SSG薄膜不同的是，由于石墨烯/碳納米管薄膜具有很高的導電性，所以實驗中不需要使用金屬集流體。
　　最后，研究了石墨烯基負極材料及其嵌鋰特性。以 SSG凍干凝膠直接作為鋰離子電池負極，不需要粘結(jié)劑和導電劑，首次循環(huán)可逆容量為645.2

8、 mAh/g，在第10和20次循環(huán)的放電比容量分別為484.2和462.1mAh/g，400次循環(huán)后的容量仍能保持在305 mAh/g以上。還采用水熱法制備了石墨烯/SnO2納米顆粒復合材料，并用于鋰離子電池負極材料，結(jié)果表明，平均粒徑在5 nm左右的SnO2納米顆粒均勻分布在石墨烯表面上，在充放電電流為200 mA/g時，石墨烯/SnO2首次循環(huán)充放電的比容量分別為1474.4和854.3mAh/g；在200次恒電流充放電循環(huán)后其比容