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基于石墨烯基复合材料的超级电容器研究现状

超级电容器是一种发展成本低、环境友好、能量密度高的新型绿

色能源装置，具有充电时间短、放电速度快、使用寿命长、节约能源

和绿色环保等优点，得到了科学界的一致追捧，而影响超级电容器最

关键的因素就是电极材料的性能。过渡金属氧化物如Mn0，ZnO，

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C00和NiO等虽是较好的电极材料，但导电性能较差，会产生较大

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的内阻，使得在充放电过程中，容易导致电极材料结构的破坏而影响

其充放电容量和循环性能。将过渡金属负载到碳材料例如石墨烯上可

以较好的解决这一难题，这方面研究国内外已有很多相关报道。

作为碳材料中重要的一员，石墨烯由于导电性能强、导热性好、

质量轻、比表面积大而备受关注，在储能装置、电化学器件、功能性

复合材料等方面都具有重要的应用。将石墨烯应用到超级电容器上，

改善了超级电容器的电容量和循环稳定性。但石墨烯层与层之间的分

子问作用力导致石墨烯容易团聚，从而降低了石墨烯的比表面积和比

容量。将过渡金属氧化物和石墨烯组装成复合材料，既能提高电极材

料的导电性和充放电容量，又能增强其循环稳定性。

1过渡金属氧化物与石墨烯复合材料在超级电容器中的应用

1．1二氧化锰／石墨烯

在超级电容器的研究中，锰作为过渡元素较先受到关注。虽然它

资源比较丰富，且易获取，但电化学性能较弱，尤其是导电性能差阻

碍了人们进一步研究的步伐。通过与石墨烯的复合，能在一定程度上

改善二氧化锰存在的问题，大幅度提高其比电容和循环性能。

Li等制备的石墨烯／Mn0复合纸电极具有无黏结剂、柔韧性好

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的特性，并发现其具有良好的循环稳定性，且在浓度为0．1mol／L

的NaSO水溶液中，当电极的Mn0含量为24％，电流密度为O．5A

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／g时，该复合纸电极的比容量为256F/g。Wei等通过高锰酸钾还原

成二氧化锰沉积在石墨烯表面制备出了二氧化锰／石墨烯复合材料，

该复合材料在超级电容器性能测试中显示了较好的循环寿命，其电容

为114F／g。Yan和Fan等通过微波辅助法制备出了石墨烯／MnO复

合材料，研究发现该复合材料的电容性能是纯石墨烯和纯Mn0的三

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倍，在2mV／s扫描下，比电容为310F／g。并且其循环寿命良好，

在1000次循环后比电容仍可为97％。

He等将Mn0覆盖在石墨烯表面制备出了一种三维导电网络复合

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材料，发现其柔韧性好、质量轻、导电性强、比表面积大。该复合电

极比电容可达130F／g，而且由该复合材料制作出的超级电容器具有

卓越的电化学性能和优异的机械性能。

1．2氧化镍／石墨烯

氧化镍是一种理想的超级电容材料，但是由于比容量较低而无法

得到普遍运用。针对比容量低和导电性的问题，构筑石墨烯与氧化镍

的复合材料是很好的解决方法。此外，形貌结构的差异对氧化镍材料

性能也有很大影响，通过不同的制备方法，如化学沉淀法、热分解法、

模板法、水热法等可以获得不同形貌的复合材料。Yan等由化学沉

淀方法将分层多孔的β-Ni(OH)纳米片负载在石墨烯片层上制备出了

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氢氧化镍／石墨烯复合材料。在扫描速率为2mV／s下复合物的比容

量可达219．4F／g。在此基础上，他们还研究了由该材料制备出的

超级电容器，经过2000次循环扫描后，比容量仍可达95．7％，表

明其具有良好的电容特性和循环寿命。Fan等161以氢氧化镍／石墨

烯复合材料作为正极，多孔石墨烯作为负极组成了循环寿命良好的混

合型超级电容器，其比容量可达218．4F／g。Ji等¨惆水热法将多

孔的Ni(OH)薄膜沉积在超薄石墨烯泡沫上制备出了氢氧化镍／石墨

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烯复合材料。超薄石墨烯泡沫的三维导电网络提供高的导电性而多孔

结构的