石墨烯制成的超级电容器将取代电池.doc

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1、俄亥俄州代顿市Nanotek Instruments公司新研制的石墨烯超级电容器，单位质量可储存的能量相当于镍氢电池，打破了世界纪录，而且充电或放电只需要短短几分钟、甚至几秒钟，有望取代电池。相关研究论文发表在Nano Letter上。 该超级电容器电极的制备采用了石墨烯，混合5%的超级P(一种乙炔黑，作用相当于导电添加剂)和10%的聚四氟乙烯(PTFE)结合剂。研究人员把产生的悬浮液涂在集电器表面，把硬币大小的电容器安装在隔离箱里。电解质-电极界面的制备，采用了“Celguard隔膜-3501”，而电解液是一种化学品，叫做EMIMBF4。 该公司对硬币大小超级电容器的测试表明，石墨烯电极的超

2、级电容器的能量密度为85.6 Wh/kg，而镍氢电池和锂离子电池分别为40-100 Wh/kg和120 Wh/kg，这是有史以来基于碳纳米材料的双电层超级电容器所达到的最高值。研究小组成员还包括来自Angstron材料研究所的科学家，他们正在努力工作以进一步提高超级电容器的能量密度。电容器电极材料研制方面取得系列进展。超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种新型储能器件，具有绿色环保、充电时间短、使用寿命长和工作温度范围宽等优点，其核心部件是性能优异的电极材料。石墨烯片（GS），作为一种新型的碳材料，具有良好的导电性和大的比表面积，预计将其作为超级电容器的电极材料具有广阔的应用前景。但是

3、纯石墨烯表面缺少功能基团导致其很难与其它材料复合或在器件上进行组装，从而限制了其深入应用。因此，对石墨烯表面进行化学修饰以便于获得各种功能复合材料是当前研究的一个热点。 图1： 不同PANi含量的PSS-GS/PANi“纸”电极（左）和PSS-GS与PANi纳米纤维之间的静电吸附示意图（右）图2 ：PSS-GS与二氧化锰在基底上的层层自组装示意图固体润滑国家重点实验室研究人员利用化学修饰后的石墨烯（PSS-GS）与聚苯胺（PANi）纳米纤维之间的静电吸附作用，制备了PSS-GS/PANi复合材料胶体溶液，然后抽虑成膜得到了柔性的PSS-GS/PANi复合“纸”电极材料。另外，以PSS-GS和二

4、氧化锰（MnO2）片为结构构筑单元，以聚电解质为粘结剂，通过层层自组装技术在导电基片（ITO）上进行组装得到了多层复合薄膜电极。电化学性能测试表明所制备的“纸”电极和多层复合薄膜电极都具有高的比电容和优异的循环寿命性能，具有很好的应用前景。煤和石油作为储量有限的化石能源面临着污染严重、来源枯竭的困境。一个多世纪的以化石能源提供动力的工业发展，使地球的环境恶化、资源过度开采。为了实现可持续性的发展，开发绿色能源模式显得尤为重要。国家中长期技术发展纲要中，把超级电容器关键材料及制备技术作为一个重要组成部分列入了前沿新材料技术研究范畴。（摘自中国科学院金属研究所一种石墨烯基柔性超级电容器及其电极材料

5、的制备方法专利说明书）上海奥威科技开发有限公司是车用超级电容器行业标准的制定者上海奥威科技开发有限公司在其高比容量有机混合型超级电容器负极材料及其制备方法专利说明书中说：上述专利和文献报道的技术，存在如下缺点：1)密度低，电极成型密度均低于0.7g/cm3，2)比容量低，小于500F/g，大部分比容量在100-250F/g之间，严重限制了超级电容电池的能量密度。理论研究表明：炭材料最大可利用的表面积为：2664m2/g，石墨烯片上的容量为0.2F/m2，其边缘比容量为石墨烯片上的20倍。如果仅利用石墨烯片上的容量，其最大物理比容量为：533F/g。一般来说，稠环芳烃及其混合物直接炭化把有机物转

6、化为炭材料时，需经历液相炭化过程，所形成的石墨烯片尺寸较大，可达几十甚至几百纳米，然而由于石墨烯片的分子间作用力与其大小成正比，离子很难在大尺寸石墨烯片间形成双电层。另外，由于石墨烯片大，边缘碳原子的比例小，因此，其比容量很低。通过以上的描述我们可知石墨烯面积大制成的石墨烯超级电容器反而比容量低中国科学院金属研究所的一种石墨烯基柔性超级电容器及其电极材料的制备方法专利说明书中显示他们是以大面积石墨烯薄膜来制造石墨烯超级电容器，制成的石墨烯超级电容器比容量在130-240F/g，确实比较低，这与上海奥威科技开发有限公司专利说明书上的说法一致而瞿研的石墨烯正是小面积的石墨烯粉末，用其制造石墨烯超级

7、电容器比电容将会远远高于大面积石墨烯薄膜制造的石墨烯超级电容器因此，力合石墨烯超级电容器比中科院金属所的石墨烯超级电容器强石墨烯片上的容量为0.2F/m2，其边缘比容量为石墨烯片上的20倍。如果仅利用石墨烯片上的容量，其最大物理比容量为：533F/g。那么石墨烯片的边缘最大物理比容量即为10660F/g，替代锂电池已经不成问题。浸渍技术改进超级电容器更新：2011-10-08 12:57:32 来源：麻省理工科技创业碳纳米管石墨烯制成的电极，能量密度都是每公斤155瓦时，可媲美镍氢电池。一个简单的窍门，可以提高先进超电容器或超级电容器存储电荷的性能。这项技术是由斯坦福大学（Stanford U

8、niversity）的研究人员开发的，可以使用新型纳米电极材料，储存更多能量。虽然超级电容器可提供快速能量爆发，而且充电次数比电池多很多，不会丧失它们的存储容量，但是，它们可存储能量只有电池的十分之一，这就限制了它们的应用。为了提高它们的能量密度，研究人员集中使用具有更大表面积的电极材料，如石墨烯和碳纳米管，它们可容纳更多携带电荷的离子。斯坦福大学的研究小组是由崔毅（Yi Cui）和包哲南（Zhenan Bao）领导，他们用的复合电极，是用石墨烯和锰氧化物制成。锰氧化物被认为是一种有吸引力的电极材料，因为“首先，锰是丰富的，所以它的成本非常低，”崔毅说。“它也有较高的理论容量，可以存储离子，用

9、于超级电容器。”然而，在过去，它的使用受限于低导电性，这使得输送离子进出这种材料都很困难。研究人员浸泡了这种复合电极，就浸泡在碳纳米管溶液中，或导电聚合物溶液中。这种涂层提高了电极的导电性，因而也提高了它们的电容，就是存储电荷的能力，分别提高了20和45。研究人员报道了他们的成果，论文在线发表在纳米快报（Nano Letters）杂志上。“这是一个重要的进步，” 秦路畅（Lu-Chang Qin）说，他是教堂山（Chapel Hill）北卡罗来纳大学（University of North Carolina）物理学教授，最近开发出类似的石墨烯-锰氧化物电极。这些结果“有望带来新一代超级电容器，

10、” 秦路畅说。不过，他指出，斯坦福大学的研究小组还没有测量新电极的能量密度。秦路畅与日本研究人员合作，用碳纳米管石墨烯制成电极。这些电极的能量密度都是每公斤155瓦时，可媲美镍氢电池（nickell hydride batteries）。江博尔（Bor Jang）是纳米技术及仪器公司（Nanotek Instruments）的创始人之一，这家公司在俄亥俄州（Ohio）代顿（Dayton），制作石墨烯电极，用于超级电容器，他说，这种新电极可能缺乏能量密度。此外，他说，“结合石墨烯、锌锰和导电聚合物或碳纳米管，可能会超量毁伤。”其他人已取得高得多的电容数值，用的是石墨烯金属氧化物或导电聚合物电极。

11、然而，崔毅说，最令人兴奋的是，这项新成果是这样一种简单的浸渍技术，可以提高电容。他说，可用这项技术改善导电性的，还有其他电极材料，如硫，硅和磷酸锂锰（lithium manganese phosphate），从而可以提高锂离子电池的性能。崔毅和他的同事正努力改善电池电极，使用的就是这种新方法。能量密度都是每公斤155瓦时，可媲美镍氢电池，这实际上已经超过了锂电池。活性石墨烯制备超级电容器使用氢氧化钾重组化学上改进的石墨烯薄片，研制各种形式的“活性炭”，它们有孔隙，可增加表面积，提高存储容量，制成超级电容器。苏东和埃里克斯塔奇使用强大的电子显微镜，分析的样品是活性石墨烯，他们在布鲁克海文国家实验

12、室的功能纳米材料中心进行研究。斯塔奇说：“功能纳米材料中心提供方便，世界各地的科学家都可以解决纳米科学和纳米技术的前沿问题。这项工作正是这个设施要做的事。”来源：布鲁克海文国家实验室美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的科学家协助揭示了纳米尺度结构的新形态碳，有助于解释为什么这种新材料的作用就像超级吸水的海绵，当它吸纳电荷时就是这样。这种材料日前被创造出来，研发者是奥斯汀（Austin）得克萨斯大学（University of Texas），这种材料可用于“超级”储能设备，具有非常高的存储容量，同时保留其他优秀属性，比如超高速能量释放，

13、快速充电时间，使用寿命至少有1万个充/放电周期。“这些特性使这种新形态的碳特别有吸引力，可以满足电能储存需求，这也需要快速释放能量，例如，在电动汽车上，也要理顺间歇性能源的电力供应，这些能源比如风力和太阳能发电，”布鲁克海文国家实验室的材料科学家埃里克斯塔奇（Eric Stach）说，他联合撰写了论文，描述这种材料，发表在科学上，时间是2011年5月12日。原子分辨率电子显微镜图像显示的活性石墨烯，表明这种材料包含单一片状结晶碳，高度弯曲，形成一种三维多孔网络，来源：布鲁克海文国家实验室超级电容器类似电池，因为两者都存储电荷。电池需要化学反应，就是金属电极和液体电解质之间的反应。由于这些化学物

14、质需要时间来进行反应，因此，能量储存和释放相对缓慢。但电池可以储存大量的能量，释放需要相当长的一段时间。另一方面，超级电容器存储电荷的形式是离子，在电极表面存储，类似静电，而不是依靠化学反应。充电电极导致离子在电解液中分离，也叫两级化，这样，电荷就被存储在连接处，就是电极与电解液之间的交界处。孔隙在电极上增加了表面面积，在这上面，电解质可以流动和互动，这就提高了能量的储存。但是，由于大多数超级电容器不能像电池那样存储同样多的电荷，它们的使用就局限于一些地方，就是少量能量的迅速需求，或很长的使用寿命必不可少的地方，比如移动电子设备中。这种新材料的开发者是奥斯汀德克萨斯大学研究人员，这种材料可以改

15、变这一点。它制成的超级电容器具有的能量存储容量，或能量密度，接近铅酸电池，同时保留了高功率密度，也就是快速能量释放，这是超级电容器的特点。“这种新材料结合了两种电力储存系统的属性，”得克萨斯大学小组领导罗德尼鲁夫（Rodney Ruoff）说。“我们惊叹它出色的表现。”奥斯汀德克萨斯大学小组已经着手创造更具多孔形态的碳，他们使用氢氧化钾（potassium hydroxide）重组化学上改进了的石墨烯薄片，这种薄片就是一种形态的碳，其中的原子排列为瓦状环，平铺形成单原子厚的薄片。这种“化学激活”先前曾用来研制各种形式的“活性炭”，它们有孔隙，可增加表面积，用于过滤器和其他地方，包括超级电容器。

16、但是，由于这种新形式的碳是如此优越，胜过其他用于超级电容器的材料，奥斯汀德克萨斯大学的研究人员知道，他们表征这种结构需要在纳米尺度进行。鲁夫形成了一个假设，就是材料包含连续三维多孔网络和单原子厚的壁，具有一个重要部分，就是“负曲率碳”（ negative curvature carbon），类似外翻式巴基球（buckyballs）。他去找布鲁克海文国家实验室的斯塔奇，协助进一步从结构上表征，以验证或反驳这个假设。斯塔奇和布鲁克海文国家实验室的同事苏东（Dong Su）进行了广泛的研究，场所有实验室的功能纳米材料中心，国家同步辐射光源（National Synchrotron Light Sou

17、rce），以及劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的国家电子显微镜中心，三个设施的支持者都是能源部科学办公室。“在美国能源部实验室，我们在世界上分辨率最高的显微镜，我们真正全面地刻画了这种原子的结构，”斯塔奇说。“我们的研究显示，鲁夫的假设其实是正确的，这种材料的三维纳米结构包含网络，属于高度弯曲的单原子厚的壁，会形成微小孔隙，孔隙宽度范围是1至5纳米，或十亿分之一米。”研究内容包括详细图示的细微孔隙结构和碳壁本身，这些图像也表明，细节如何融入大局。 “国家同步辐射光源（NSLS）的数据也很关键，说明我们高度局部的特征可代表整体材料，”斯塔奇说。“我们仍在联合鲁夫和他的团队，协力完整地描述这种材料的结构。我们还增加了计算研究，以帮助我们了解这种三维网络如何形成，这样，我们有可能定制孔径最佳尺寸，进行特定的应用，包括电容存储，催化，以及燃料电池，”斯塔奇说。与此同时，科学家们说，这种处理技术用来创造新形态的碳，很容易升级到工业生产。“这种材料这么容易制造，采用的是宇宙中最丰富的元素之一，将广泛影响研究和技术，在能量储存和能量转换上都是这样，”鲁夫说。