用于超级电容器电极材料的石墨烯基纳米复合物的种类和研究现状

超级电容器是目前研究较多的新型储能元件,其大的比电容、高的循环稳定性以及快速的充放电过程等优良特性,使其在电能储存及转化方面得到广泛应用。超级电容器的电极材料是它的技术核心。石墨烯作为一种新型的纳米材料,具有良好的导电性和较大的比表面积,可作为超级电容器的电极材料。利用其他导电物质对石墨烯进行改性和复合,可以在保持其本身独特优点的同时提高作为电极材料的导电率、循环稳定性等其他性能。本文从半导体/石墨烯复合材料、金属及金属氧化物/石墨烯复合材料、石墨烯/导电聚合物复合材料3个方面综述了复合改性后的石墨烯在超级电容器电极材料方面的研究进展。通过对各复合物电极材料的制备方法和性能的对比分析,指出石墨烯基复合物作为超级电容器的电极材料的未来研究内容是开发低成本、高比容量和高循环稳定性的复合物。     

碳基超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器是近年迅速发展起来的一种新型储能元件,决定超级电容器性能的最重要因素是电极材料。碳材料以其比电容高、循环寿命长和资源丰富等优点,已经成为当前超级电容器电极材料的有力竞争者。用作超级电容器电极的碳材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。本文详细介绍了超级电容器用碳材料的特点、应用及发展状况,并指出制备具有大比表面积和高导电率的多孔碳是当前碳材料电极的主要研究方向。     

超级电容器石墨烯-聚苯胺复合材料的研究进展

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和维护成本低的特点,在电动车动力电池领域具有潜在的应用前景。超级电容器性能主要由其电极材料所决定。聚苯胺易合成、理论比容量高,而且导电性能优异,作为超级电容器电极材料有很高的应用价值。但是,在长期使用过程中,它的体积容易发生膨胀或收缩,循环寿命差。为了解决这个问题,将聚苯胺与石墨烯复合可以扬长避短,充分利用两者之间的协同效应,赋予复合材料优异电化学电容性能。本文综述了超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的制备方法,包括原位聚合法、油水界面合成法、电化学合成法、层层自组装法等;提出了三维网状石墨烯和对石墨烯-聚苯胺复合材料进行改性来提高复合材料的电化学电容性能的思路。     

石墨烯-聚苯胺类超级电容器复合电极材料

聚苯胺理论比容量高、易合成,是一种理想的电极材料,但其循环寿命差,而石墨烯具有高的理论比表面积,将二者复合,充分利用两者之间的协同效应,能够使复合材料具有优异的电化学电容性能。本文回顾了近几年石墨烯-聚苯胺纳米复合材料在超级电容器中的最新研究结果及其制备方法,并对如何优化电极的结构与性能进行讨论,同时介绍了石墨烯-聚苯胺类电极材料在有机超级电容器中的应用进展,最后对石墨烯-聚苯胺复合材料的前景进行了展望。超级电容器用石墨烯-聚苯胺纳米复合材料的发展取决于其合理的微观结构设计,构建理想的三维多孔结构以避免聚苯胺的膨胀与收缩现象是研究的方向之一,此外,在改善石墨烯和聚苯胺间弱的界面相互作用的同时寻求石墨烯性能与功能化的平衡仍是难点,机械性能优异的聚苯胺纳米复合材料对于柔性全固态超级电容器的研究也会起到关键作用。     

超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的研究进展

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和维护成本低的特点,在电动车动力电池领域具有潜在的应用前景。超级电容器性能主要由其电极材料所决定。聚苯胺易合成、理论比容量高,而且导电性能优异,作为超级电容器电极材料有很高的应用价值。但是,在长期使用过程中,它的体积容易发生膨胀或收缩,循环寿命差。为了解决这个问题,将聚苯胺与石墨烯复合可以扬长避短,充分利用两者之间的协同效应,赋予复合材料优异电化学电容性能。本文综述了超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的制备方法,包括原位聚合法、油水界面合成法、电化学合成法、层层自组装法等;提出了三维网状石墨烯和对石墨烯-聚苯胺复合材料进行改性来提高复合材料的电化学电容性能的思路。     

基于金属氧化物的赝电容器

电极是电化学超级电容器的重要组成部分,电极材料是决定超级电容器性能的最重要因素。金属氧化物电极材料兼有双电层电容和准电容性质,其比电容远远大于活性炭材料表面的双电层电容,基于金属氧化物电极材料的超级电容器具有使用寿命长、维护简单等优点,是一种新型、高效、实用的能量存储装置,引起研究者的广泛兴趣。本文综述了基于金属氧化物电极材料的赝电容器的储能原理、类型和性能的研究现状,并展望了其发展前景。     

石墨烯基纤维电容器的可控制备及应用

超级电容器又名电化学电容器,是一种绿色储能器件。 超级电容器的研究,从根本上讲是寻找比表面积大且可以被充分利用的电极材料。 石墨烯作为sp²杂化碳质材料的基元单位,具有独特的二维结构和优异的物化特性,使得其在超级电容器领域具有巨大的应用潜力,其中石墨烯纤维超级电容器受到了研究工作者越来越广泛的关注。 本文通过对一维石墨烯纤维的自组装以及与制备材料的共组装来作为超级电容器的电极材料,对其可控制备进行了系统的归纳和总结,可控构建独特的电极材料,使其性能得以优化,组装出高性能的超级电容器,并对相关领域的发展趋势做了展望。     

石墨烯/聚苯胺复合材料在超级电容器中的研究进展

聚苯胺理论比容量高,具有优良的导电性能,是理想的超级电容器电极材料。但是,在长期的充放电过程中容易发生体积的收缩与膨胀,循环寿命差。同时,石墨烯由于具有高的理论比表面积,被广泛用作超级电容器电极材料。将聚苯胺与石墨烯复合,利用二者的协同作用,使复合材料具有优异的电化学性能。本文综述了石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法以及近年来在超级电容器领域的主要研究成果,并就其目前存在的主要问题进行了讨论,最后对石墨烯/聚苯胺复合材料的前景进行了展望。     

聚吡咯在超级电容器中的应用

聚吡咯以其制备简单、掺杂可逆、环境友好、导电率高、比电容大、具有良好的成膜性而备受关注。特别是在作为超级电容器、二次电池等换能设备电极材料领域中前景广阔。文章简略地介绍了超级电容器的双电层电容和法拉第赝电容产生的机理,概述了近年来聚吡咯与金属氧化物、炭材料等通过化学法、电化学法以及界面化学法等新型手段制备聚吡咯电极的研究进展。     

二维纳米片层孔洞化策略及组装材料在超级电容器中的应用

功率密度高、倍率性能优异和循环性能好等特性使得超级电容器在储能领域显示了巨大的应用前景。尽管二维层状材料剥离形成的纳米片层不仅可为电化学反应提供独特的纳米级反应空间,而且由其组装的层状纳米电极材料具有化学和结构上的氧化还原可逆性及纳米片层水平方向上离子或电子快速传输通道。但是,纳米片层组装电极材料在纳米片层垂直方向上离子或电子传输存在障碍,对于超级电容器功率密度和能量密度的提高及实现快速能量储存非常不利。因此,如何通过改善离子或电子的快速传输,实现超级电容器大功率密度下的高能量密度是超级电容器电极材料发展的方向之一。本文主要综述了二维层状材料剥离成纳米片层,纳米片层孔洞化策略及组装孔洞化材料在超级电容器电极材料中的应用。纳米层孔洞化技术是改善层状电极材料在纳米片层垂直方向离子或电子传输的有效手段,为实现高比电容下的高倍率性能超级电容器电极材料制备提供了方法学。最后,对开发大功率密度下的高能量密度超级电容器电极材料提出了展望。     

Nanoarchitectured Graphene‐Based Supercapacitors for Next‐Generation Energy‐Storage Applications

Tremendous development in the field of portable electronics and hybrid electric vehicles has led to urgent and increasing demand in the field of high‐energy storage devices. In recent years, many research efforts have been made for the development of more efficient energy‐storage devices such as supercapacitors, batteries, and fuel cells. In particular, supercapacitors have great potential to meet the demands of both high energy density and power density in many advanced technologies. For the last half decade, graphene has attracted intense research interest for electrical double‐layer capacitor (EDLC) applications. The unique electronic, thermal, mechanical, and chemical characteristics of graphene, along with the intrinsic benefits of a carbon material, make it a promising candidate for supercapacitor applications. This Review focuses on recent research developments in graphene‐based supercapacitors, including doped graphene, activated graphene, graphene/metal oxide composites, graphene/polymer composites, and graphene‐based asymmetric supercapacitors. The challenges and prospects of graphene‐based supercapacitors are also discussed.     

Multi-stage Ordered Mesoporous Carbon-graphene Aerogel-Ni3S2/Co4S3 for Supercapacitor Electrode

Transition metal sulfides have emerged as promising materials in supercapacitor. In this work, we firstly developed an interface-induced superassembly approach to fabricate NiS_x and CoS_x nanoparticles, which based on ordered mesoporous carbon-graphene aerogel composites for supercapacitor electrodes. The obtained multi-component superassembled nanoparticles-carbon matrix composites have controllable 3D porous structure of multi-stage composite. The two-dimensional graphene interlaced to form a 3D framework with large sponge-like pores, and then the graphene surface was loaded with mesoporous carbon with mesoporous pore size and vertical orientation. The composites display high specific capacitance of 958.1 F g⁻¹ at 0.1 A g⁻¹. The capacitance retains about 97.3 % after 3000 charging-discharging cycles at 2 A g⁻¹. These results indicate that the obtained OMC−GA−Ni₃S₂/Co₄S₃ is a promising material for electrochemical capacitors, which providing new technical methods and ideas for the research of new energy and analytical sensor materials in the fields of energy storage, photocatalysis, point-of-care testing devices and other fields.     

基于碳材料的超级电容器电极材料的研究

超级电容器作为一种新型的能源存储装置,因为其比容量大、充放电速度快、循环寿命长等优点,在储能领域引起了极为广泛的关注。电极材料是决定超级电容器性能的核心因素,其中,常用的超级电容器电极材料主要有如下三类:碳基材料、金属氧化物及氢氧化物材料和导电聚合物材料。本文综述了超级电容器的工作原理并详细介绍了基于碳材料及其二元、三元复合体系的电极材料的研究进展。     

Green synthesis of graphene nanosheets/ZnO composites and electrochemical properties

A green and facile approach was demonstrated to prepare graphene nanosheets/ZnO (GNS/ZnO) composites for supercapacitor materials. Glucose, as a reducing agent, and exfoliated graphite oxide (GO), as precursor, were used to synthesize GNS, then ZnO directly grew onto conducting graphene nanosheets as electrode materials. The small ZnO particles successfully anchored onto graphene sheets as spacers to keep the neighboring sheets separate. The electrochemical performances of these electrodes were analyzed by cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectrometry and chronopotentiometry. Results showed that the GNS/ZnO composites displayed superior capacitive performance with large capacitance (62.2 F/g), excellent cyclic performance, and maximum power density (8.1 kW/kg) as compared with pure graphene electrodes. Our investigation highlight the importance of anchoring of small ZnO particles on graphene sheets for maximum utilization of electrochemically active ZnO and graphene for energy storage application in supercapacitors.     

炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用

炭-/石墨烯量子点作为新兴的炭纳米材料,因具有独特的小尺寸效应和丰富的边缘活性位点而在高性能超级电容器电极材料的研发方面展现出巨大潜力。针对目前炭-/石墨烯量子点在超级电容器电极材料方面的应用优势和存在的关键问题,本文以炭-/石墨烯量子点、量子点/导电炭复合材料、量子点/金属氧化物复合材料、量子点/导电聚合物复合材料以及量子点衍生炭这些电极材料为脉络,梳理了近年来该领域的发展状况,尝试阐释炭-/石墨烯量子点在电极材料、复合材料和衍生炭电极材料中所起到的关键作用,最后对炭-/石墨烯量子点电极材料的发展进行了展望。本综述以期为炭-/石墨烯量子点基电极材料的研究提供一定参考和依据。     

石墨烯/聚吡咯纳米纤维超级电容器电极材料的制备及其电化学性能

超级电容器因其具有较高的循环稳定性和较好的能量密度而成为储能器件中的研究热点,其电极材料及制备方法是决定超级电容器电化学性能的关键因素。 本文以聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)为软模板,通过一步原位聚合法成功地制备了石墨烯/聚吡咯纳米纤维(GR/PPy NF)复合超级电容器电极材料。 通过X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)等对复合材料的结构和形态进行了系统的表征。 利用电化学方法对GR/PPy NF复合电极材料的电化学性能进行了系统的分析。 结果表明,在电流密度0.5 A/g下,纳米复合材料的比电容量高达969.5 F/g,在充放电600圈之后,仍可保留初始比电容的88%,展示了良好的电容性能及循环稳定性。 GR/PPy NF制备简单,性能优异,是一种很有前途的能量转换/存储材料。     

Inherent Impurities in Graphene/Polylactic Acid Filament Strongly Influence on the Capacitive Performance of 3D-Printed Electrode

Additive manufacturing or 3D-printing have become promising fabrication techniques in the field of electrochemical energy storage applications such as supercapacitors, and batteries. Of late, a commercially available graphene/polylactic acid (PLA) filament has been commonly used for Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-printing in the fabrication of electrodes for supercapacitors and Li-ion batteries. This graphene/PLA filament contains metal-based impurities such as titanium oxide and iron oxide. In this study, we show a strong influence of inherent impurities in the graphene/PLA filament for supercapacitor applications. A 3D-printed electrode is prepared and subsequently thermally activated for electrochemical measurement. A deep insight has been taken to look into the pseudocapacitive contribution from the metal-based impurities which significantly enhanced the overall capacitance of the 3D-printed graphene/PLA electrode. A systematic approach has been shown to remove the impurities from the printed electrodes. This has a broad implication on the interpretation of the capacitance of 3D-printed composites.     

Research progress on transition metal oxide based electrode materials for asymmetric hybrid capacitors

In the past few years, the increasing energy consumption of traditional fossil fuels has posed a huge threat to human health. It is very imperious to develop the sustainable and renewable energy storage and conversion devices with low cost and environment friendly features. Hybrid supercapacitors are emerging as one of the promising energy devices with high power density, fast charge-discharge process and excellent cycle stability. However, morphology and structure of the electrode materials exert serious effect on their electrochemical performances. In this review, we summarized recent progresses in transition metal oxide based electrode materials for supercapacitors. Different synthesis routes and electrochemical performances of electrode materials and storage mechanisms of supercapacitor devices have been presented in details. The future developing trends of supercapacitor based on metal oxide electrode materials are also proposed.