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石墨烯材料助力于超级电容器发展

[发布日期:2013-04-17 11:15:26 浏览量:928 文章来源:青岛晨阳石墨有限公司

  据国外媒体报道,美国科学家比来研制出了一种以石墨烯资料为根底的超级电容器,其充电速率远远高于通常电池。用这种超级电容器为一部iPhone手机充满电只是需求5秒钟。因为运用石墨烯资料,该超级电容器体积超小且整合性强,被以为将带来手机、新动力汽车等职业的革新。
  ■阎兴斌 跟着微机电体系(MEMS)的疾速开展以及便携式电子设备和无线传感网络的广泛运用,设备微型化已成为一个重要开展方向,这就需求与之配套的供能器材有必要兼具小的体积和高的功率。
  当前为设备供能的微型发电机存在不能持续供能且功率较低的缺陷,而传统的微型电池则存在充放电功率低、循环次数有限、不具备大功率充放电才能且安全性较差等缺陷,因而迫切需求开展一种体积小、功率高、能量密度和功率密度大、运用寿命长的储能设备。
  奇特的“超级电容器”
  超级电容器,也称电化学电容器,是根据高比外表积炭电极/电解液界面发作的双电层电容,或许根据过渡金属氧化物或导电聚合物的外表及体相所发作的氧化复原反响来完结能量的贮存。其布局和电池相似,首要包含正负电极、电解液、隔阂和集流体。
  作为一种新式储能设备,超级电容器具有输出功率高、充电时刻短、运用寿命长、作业温度规模宽、安全且无污染等长处,有望成为本世纪新式的绿色电源。传统的超级电容器体积较大,不能适应微型设备关于储能器材体积较小的需求。因而,高功能微型超级电容器的描绘与制备,以及在微型体系中作为能量存储单元的运用是当时研讨的热门之一。
  众所周知,电极资料是超级电容器的关键所在,它决议着电容器的首要功能指标,如能量密度、功率密度和循环稳定性等。到当前,纳米布局的活性炭、碳化物转化炭、碳纳米管、炭洋葱、氧化钌、聚苯胺和聚吡咯等现已被用于微型超级电容器的电极资料,但是,它们的功能指标很难满意不断开展的微型动力体系的实际运用需求。并且,制作微型超级电容器电极需求杂乱的光刻工艺,条件严苛、周期长,因而很难下降产物的本钱及价钱,然后阻止了其商业化远景。
  由一层碳原子呈蜂窝状有序摆放而构成的石墨烯现已被证明是一种新式且高效的超级电容器电极资料。近来,美国加州大学洛杉矶分校工程及运用科学学院理查德·卡奈尔教授研讨团队开展了以石墨烯为根底的新式微型超级电容器。
  令人十分振奋的是,该电容器不只具有细巧的外形,更重要的是能够在极短的时刻内完结充电,其充放电的速度比标准电池快数百倍乃至上千倍。
  此外,这种石墨烯基微型超级电容器还具有极佳的柔性,通常的歪曲不会影响电容器的功能。更令人惊讶的是,制作这种体积很小的微型超级电容器并不需求高精尖的设备器械,运用一台通常的家用DVD光雕刻录机就能够完结整个生产进程。该研讨团队能在不到30分钟的时刻内,在一张光盘上生产出100多个石墨烯微型超级电容器,其工艺进程简略,并且所用资料都很贱卖。
  除了电极资料,该团队对电极布局也进行了优化和比拟。与较为遍及的三明治夹层式石墨烯电极比较,光刻得到的平面石墨烯电极具有愈加优胜的电容功能。并且,一样面积的石墨烯,手指穿插形状的微型电极数量越多,电容器的功能就越好。
  一起,该团队还初次提出了一种由纳米二氧化硅和离子液体混合构成的新式固态电解质。与传统固态电解质比较,该电解质能够数倍进步电容器的容量及经用时刻,该方面的功能乃至能够和薄膜型的锂离子电池相媲美。
  因而,这种新颖的石墨烯微型电容器有望作为MEMS体系、便携式电子设备、无线传感网络、柔性显示器、电子报纸,及其多种生物体内电子设备的储能器材得到运用。
  中国积极参与石墨烯超级电容研发
  近些年,跟着对准石墨烯这种“全能资料”研讨的不断深入和国家对新动力范畴的大力支持和投入,一些高校和科研院所,包含清华大学、北京大学、复旦大学、天津大学,中科院物理研讨所、金属研讨所、宁波资料所以及兰州化物所等,都在积极开展石墨烯基微型超级电容器的研讨作业。
  例如,清华大学科研人员成功制备了具有高倍率特性的三维石墨烯微型超级电容器,中科院兰州化物所科研人员在国际上初次发现石墨烯量子点具有极好的电容特性,以其为电极资料制备的微型电容器具有极好的倍率特性和频率响应特性。
  一个抱负的微型超级电容器应该一起包含高功能的电极资料、与之相匹配的电解液以及科学合理的电极布局。电极资料方面,炭电极的导电性及循环稳定性好,而金属氧化物则能够存储更多的电荷,因而,两者的有用联系将会构成十分抱负的电极资料。
  电解液方面,离子液体能够明显进步电容器器材的作业电压、充放电持续时刻以及运用温度规模。微型电极布局方面,将电极做成立体三维布局可获得更大的外表积,有利于负载更多的电极活性物质以及确保活性物质的充分运用,然后有利于改进电容器电荷存储功能。
  因而,以石墨烯—纳米金属氧化物复合资料作为电化学活性资料,辅之以布局合理的三维电极,并挑选适宜的离子液体电解液,就有望完结制备兼具传统电容器和锂离子电池两层优势的储能器材,这将会成为将来该范畴的一个重要研讨开展方向。
  此外,持续寻求疾速有用且本钱低价的微型电极制作技能、电容器封装和模块化技能,以及微型超级电容器与其他动力器材的耦合技能等也是将来的研制要点。