石墨烯在儲(chǔ)能領(lǐng)域中的應(yīng)用探討

江嬋

摘 要：隨著世界人口水平的逐年上升，能源危機(jī)日益明顯，生態(tài)遭到惡化，開(kāi)發(fā)可再生新能源迫在眉睫。為了充分開(kāi)發(fā)利用可再生新能源，研制與其配套的儲(chǔ)能裝置是成為關(guān)鍵。電源和電容器是使用最普遍的儲(chǔ)能裝置，但存在持續(xù)性和放電功率小的問(wèn)題。石墨烯是由sp2雜化的碳原子緊密堆積成的單原子層二維碳材料，因其具備良好的化學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)在儲(chǔ)能電池技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。本文簡(jiǎn)述了近年石墨烯作為超級(jí)電容器導(dǎo)電劑材料、二次電池電極材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：石墨烯；儲(chǔ)能領(lǐng)域；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.063

1 石墨烯簡(jiǎn)介

石墨烯是科學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)的一種理想的單層二維碳質(zhì)晶體。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)在空間上由碳原子以sp2雜化和正六邊形的形式堆積而成，形成平面六邊形點(diǎn)陣，其基本結(jié)理論比表面積為2600m2/g。碳原子在自然界中可以形成多種形態(tài)，石墨烯是其中較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元。由于單層的石墨烯只有一個(gè)碳原子的厚度（0.335nm），所以更容易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。目前，石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域特別廣泛，包括能源、電子、通信、生物科技和材料等各個(gè)領(lǐng)域。石墨烯除了有高理論比表面積外，還具備諸多獨(dú)特的性質(zhì)，包括熱導(dǎo)率較高，為5000W/（m·K）；其楊氏模量較大，為1TPa。另外，石墨烯還具有較高的透光率（97.7%）和電子遷移率（2x 105cm2/V·S）。這些特殊的物理性質(zhì)使其具有卓越的電荷儲(chǔ)存性能，有望成為電池儲(chǔ)能體系中重要的材料。

2 石墨烯在電池儲(chǔ)能領(lǐng)域中的應(yīng)用

眾所周知，電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域能夠廣泛利用石墨烯的特性，并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)，尤其是在超級(jí)電容器和電池領(lǐng)域。因此，將石墨烯應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域受到了科技界和企業(yè)的共同關(guān)注。近年來(lái)，有關(guān)石墨烯在儲(chǔ)能領(lǐng)域的技術(shù)不斷產(chǎn)生，使得石墨烯能夠發(fā)揮“導(dǎo)電”和“儲(chǔ)能”的雙重特性。值得關(guān)注的是，科學(xué)家將石墨烯與其他材料復(fù)合形成了二元和三元材料，具有很好的應(yīng)用價(jià)值，有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。

2.1 石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

超級(jí)電容器是一種新型的可再生儲(chǔ)能器件，在新能源、儲(chǔ)能器件和電動(dòng)型汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。超級(jí)電容器的特點(diǎn)為功率密度高、循環(huán)周期長(zhǎng)、綠色無(wú)污染和廉價(jià)。石墨烯因其具有電導(dǎo)率高、結(jié)構(gòu)單一、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為超級(jí)電容器新型碳電極材料中的重要組成部分。

單層石墨烯的理論比電容可達(dá)到21mF/cm2，在理想條件下充分利用其比表面積，石墨烯會(huì)以雙電層電容的形式存在于超級(jí)電容器中，此時(shí)比電容高達(dá)550F/g。但是，石墨烯在自然條件下往往不會(huì)形成理想的雙電層電容，其容易出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象。因此，在實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到其理論性能。科學(xué)家為了解決這一難題，通常將石墨烯和其他材料進(jìn)行復(fù)合，使其實(shí)際應(yīng)用效果更佳。如夏愛(ài)清等采用化學(xué)共價(jià)功能化法、物理非共價(jià)功能化法等方法制備了卟啉-氧化石墨烯類的復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)其具有很好的電化學(xué)性能和傳輸新能。另外科學(xué)家發(fā)現(xiàn)由石墨烯和聚苯胺復(fù)合形成的中空微球，其首次放電比電容高達(dá)752F/g，在lA/g條件循環(huán)500次后，仍然具有92%的初始電容量。近年來(lái)，科學(xué)家不僅僅滿足于石墨烯與其他材料形成的二元復(fù)合材料，由石墨烯與其他材料形成的三元復(fù)合電極材料的制備應(yīng)用而生。研究人員制備的石墨烯/聚苯胺/二氧化錳的三元復(fù)合材料，不僅具有很高的比電容（755F/g），且在循環(huán)1000次后仍保持了87%的電容量。

總之，石墨烯與其他材料形成二元/三元復(fù)合電極材料與單一的石墨烯材料相比具備優(yōu)良的電化學(xué)性能，其將會(huì)成為超級(jí)電容器電極材料的重要組分。

2.2 石墨烯在二次電池中的應(yīng)用

第一，石墨烯可作為鋰硫電池導(dǎo)電劑。鋰硫（Li-S）電池的特點(diǎn)為理論儲(chǔ)能密度高（2600Wh/kg），相較于目前市場(chǎng)上最新的鋰電池高出5～10倍，其在未來(lái)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。但是，由于硫原子和含硫化合物都是絕緣體，鋰硫電池在儲(chǔ)能應(yīng)用中很難保證長(zhǎng)效循環(huán)。為了彌補(bǔ)這一缺陷，電池電極導(dǎo)電劑成為關(guān)鍵組分。石墨烯導(dǎo)電劑是目前鋰離子電池導(dǎo)電劑的最佳選擇。近年來(lái)，科學(xué)家利用石墨烯與不同的硫復(fù)合制備的新型材料不斷涌現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，將硫電極材料和石墨烯共同進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行復(fù)合，獲得的三維石墨烯/硫復(fù)合電極材料能夠很好的彌補(bǔ)鋰硫電池?zé)o法維持長(zhǎng)效循環(huán)的缺陷。

第二，石墨烯可作為鈉離子電池的電極材料。相對(duì)于鋰離子電池，鈉離子電池具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。石墨烯由于具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、理想的比表面積以及良好的導(dǎo)電性，成為了鈉離子電池重要的電極材料。越來(lái)越多的報(bào)道顯示，石墨烯在鈉離子電池電極材料中具有明顯優(yōu)勢(shì)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯比容量高達(dá)174.3mAh/g，經(jīng)過(guò)l000次循環(huán)后，比容量為141mAh/g。另外，研究人員制備的3D泡沫石墨烯復(fù)合材料，其含氮量為6.8%，比容量可達(dá)852.6mAh/g，經(jīng)過(guò)l50次循環(huán)后，比容量仍然具有69.70%。因此，石墨烯作為鈉離子電池的電極材料具有很好的可逆性和循環(huán)性。

3 結(jié)語(yǔ)

可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用是可持續(xù)發(fā)展的重要課題之一，儲(chǔ)能器件成為能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。石墨烯憑借自身化學(xué)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)單一、比表面積高以及無(wú)污染等特點(diǎn)成為超級(jí)電容器和二次電池的電極材料和導(dǎo)電劑。隨著儲(chǔ)能器件的不斷發(fā)展，石墨烯將成為安全、廉價(jià)、高效的儲(chǔ)能材料器件。

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