石墨烯的储能特性及其前景展望.docVIP

石墨烯的储能特性及其前景展望 前言:能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大问题。在化石能源日渐枯竭，环境污染日益严重， 全球气候变暖的今天，寻求替代传统化石能源的可再生绿色能源 ，谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。对于新型的、绿色 、储能器件，在关切其绿色的同时，高功率密度 ，高能量密度则是其是否可以真正替代传统能量储运体系的重要指标 。新型的电源体系，特别是二次电池或者超级电容器是目前重要的绿色储能装置， 而其中核心部分是性能优异的储能材料。 各种碳质材料，特别是 sp2杂化的碳质材料，由于其特殊的层状结构或者超大的比表面积，成为重要的储能材料或者储能体系的电极材料。作为 sp2杂化碳质材料的基元结构的单层石墨 ——石墨烯(graphene)， 2004 年被成功制备；独特的结构 、真正的表面性固体(无孔 表面碳原子比例为 100%的超大表面材料)，使其成为下一代碳质电极材料的重要选择。 结构研究：碳是自然界广泛存在的一种元素，具有多样性，特异性和广泛性的特点。碳元素可以 sp 、sp2、sp3三种杂化方式形成固体单质。 而 sp2杂化形成的碳质材料的基元结构是二维石墨烯片层 。如图 1 所示，如果在六元环形成的石墨烯晶格结构中存在五元环的晶格, 就会使石墨烯片层翘曲, 当有 12 个以上五元环晶格存在时就会形成零维的富勒烯；碳纳米管可以看作是石墨烯沿一定角度卷曲形成的圆筒状一维材料；石墨烯片层相互作用、叠加，便形成了三维的体相石墨。而作为无定形的多孔碳质材料(活性炭 活性炭纤维及炭气 凝胶等) 则是由富含缺陷的微晶石墨炭(厚度和尺度很小的三维石墨片层结构)相互作用形成。 图1 石墨烯的结构(左图)及由石墨烯为基本单元构筑的sp2杂化碳质材料(右图) 石墨烯这种稳定的晶格结构使其具有异常优异的导电性 。石墨烯的价带和导带 (电子) 相交于费米能级处，是能隙为零的半导体 ，在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子问作用力十分强 ，在常温下 ，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速 的 1／300 ， 远远超过了电子在一般导体中的运动速度 。石墨烯特殊的结构使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应等一系列性质 。石墨烯也具有良好的力学、 光学和热学性质， 具有突出的导热性能( 3 0 0 0 W／( I T I·K) ) 和力学性能 ( 1 0 6 0 GP a )，以及室温下高速的电子迁移率 ( 1 5 0 0 0 c m／( V·s ) )- l 。石墨烯是真正的表面性固体， 理想的单层石墨烯具有超大的比表面积 ， 其理论比表面积高达 2600 m ／g ， 而单层石墨烯的比表面积为2 6 3 0 m ／g ， 大大超过目前应用于电化学双层电容器中的活性炭的比表面积。 良好的导电性是其他大比表面积碳质材料很难具有的独特性质，预示着石墨烯很可能是性能极佳的电极材料；而良好的热导性质光学性质和力学强度，也预示着石墨烯材料可用于超薄型、超微型的电极材料和储能器件，而这样的储能元件可用于高密度的纳电子器件和 高功率电池组中。 3．石墨烯材料的制备 石墨烯的主要制备方法有机械劈裂法口、外延晶体生长法、 化学气相沉积法、氧化石墨的热膨胀和还原法。还有一些其他制备方法也陆续被开发出来， 如气相等离子体生长技术、静电沉积法和高温高压合成法等。在上述制备石墨烯的工艺中，化学法制备以相对简单和低廉正受到越来越多的关注 。化学法制备石墨烯主要采用氧化石墨、膨胀石墨或微粉石墨作为石墨源，其中以氧化石墨为源制备的石墨烯存在较多的含氧官能团和不可逆转的结构缺陷，极大地影响了石墨烯的电学性能， 而以膨胀石墨或者微粉石墨为源制备的石墨烯 ， 具有缺陷很少、导电率很好的特点。 目前已能实现实验室大规模制备石墨烯 ， 但工业化生产还需有个过渡阶段。大量的问题还需要研究，例如： 如何低成本、大规模制备出期望结构的石墨烯， 如何实现其微加工 来完成对石墨烯大小、边缘和形状的控制，不同层结构的石墨烯性能如何等等， 这些都是需要解决的关键性问题。另外， 关于石墨烯的基本物理性能及展示独特优异性质的内在原理的研究也需要深入。 4.石墨烯材料的应用 石墨烯在超级电容器中的应用 碳质材料是最早也是目前研究和应用得很广泛的超级电容器电极材料。用于超级电容器的碳质材料目前主要集中于活性炭(AC)、活性炭纤维(ACF)炭气凝胶、碳纳米管(CNTs)和模板炭等。这些 sp2碳质材料的基元材料是石墨烯自石墨烯被成功