石墨烯复合材料用于超级电容器电极材料之特性分析

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1、石墨烯复合材料用于超级电容器电极材料之特性分析第1章绪论1.1引言能源是21世纪最重要的话题之一，随着化石能源的逐渐耗尽，以及燃烧化石能源所产生的环境污染的加剧，人们希望能找到一种清洁的，可再生的能源来代替化石能源以满足人类社会和经济发展的需求[1]。人类可利用的新能源包括太阳能，潮汐能，风能，地热等，充分利用这些自然能源对人类社会的可持续发展有着十分重要的意义。但是，由于自然能源具有不连续性，需要相应的能量存储装置来实现对这些能源的利用。因此，能量存储作为一种多功能、清洁、高效使用能量的中间步骤，受到了众多研究者的关注。化学电源是一种可以将化学能

2、直接转化为电能的能量存贮装置，自从1859年普兰特(R.G.Plant)开发出铅酸电池以来，已经经历了一百多年的发展历史。目前，化学电源在经济、科技、军事和日常生活等方面都有广泛的应用。其中电池是最常见的储能设备，具有较高的能量密度。但是电池的功率密度低。在大脉冲电流充放电的过程中会引起电池内部的发热升温，从而降低了电池的使用寿命。超级电容器，又叫电化学电容器，其性能介于传统电容器与电池之间，是一种新型的储能元件。超级电容器存储电荷的能力要比传统电容器高，且充放电速度快、效率高、工作温度范围宽、循环寿命长、安全性高、对环境无污染[2,3]。近年来被

3、广泛应用于信息、通讯、航空、航天以及国防等领域，显示出了前所未有的应用前景。特别是在电动汽车上，能够在电动车辆的启动、加速、爬坡等阶段提供辅助动力，刹车时快速储存发电机产生的能量。如果将电池与超级电容器联合使用，可以提高能量密度和功率密度，一方面可以减小电源的体积，一方面也延长了电池寿命，同时也提高了能源的利用效率，降低了运行成本[4]。因此，世界各国特别是西方发达国家对超级电容器进行了广泛的研究开发。如美国、俄罗斯和日本等，不但在研发和生产方面走在前列，同时还建立起了专门的管理机构(如：美国的USABC，俄罗斯的REVA和日本的SUN等)，由国家

4、制定发展计划，投入大量的人力和物力积极推进。目前，俄罗斯在超级电容器整体技术方面，走在世界前面，产品已经商业化生产。在日本制定的新阳光计划中，超级电容器也被列为核心研究项目。美国和欧盟也制定了相应的发展规划，以提高超级电容器的功率密度和循环寿命，满足其在电动汽车方面的应用。由此可见，超级电容器已经成为能量存储器件研究方面的一个热潮，今后会有更多的研究机构和科研人员投入到这项领域的研究中，使超级电容器获得更加迅猛的发展。1.2超级电容器的工作原理超级电容器作为能量存储的装置，其储存电能的能力主要通过电容的大小来体现。根据充电时产生电容的机理不同，人们

5、将超级电容器分为两类：(1)在电极/电解液界面处通过离子、电子或偶极子的定向排列而产生电容的电化学双电层电容器(ElectricDoubleLayerCapacitor，EDLC)。(2)在电极表面或体相的二维或三维空间内，具有电化学活性的物质发生欠电位沉积，产生高度可逆的化学吸附脱附或发生可逆的氧化还原反应，从而产生与电极电位有关的法拉第准电容，即赝电容器(Pseud-capacitor)[5]。1.2.1双电层电容器工作原理双电层电容器主要利用在电极与电解液界面形成的双电层存储能量。当固体电极浸泡在电解液中后，通过外加电场的作用，会在电极/电解

6、质的接触界面发生电荷的重新分布排列。在固液界面处，带负电荷的电极吸引电解液中的正离子，相反带正电的电极极吸引负离子，在电极表面形成紧密的双电层。双电层电容模型最早被Helmholtz提出，主要由两个相距为原子尺寸的相反电荷层构成，这两个电荷层类似于平板电容器中的两个平板。双电层电容器的工作原理如图1.1所示。由一对理想极化的正负电极组成，在外加的电压范围内不发生法拉第反应，所聚集的电荷全部用来在电极/电解液的界面形成双电层。能量以电荷的形式存储于双电层中，无外加电源时电极上的电位为ф0，充电时电解液中的正负离子分别移动到邻近电极的表面，一个电极的电

7、位从ф0升高至ф0+ф1，而另一个电极的电位则由ф0降低至ф0-ф1，对外显示出一定的电势。放电时正负离子从电极表面释放并返回电解液中，电极材料本身并没有发生相变化。第2章实验材料和表征方法2.1实验试剂X-射线粉末衍射仪(XRD)X射线粉末衍射(poax-TTRIII型X射线衍射仪。测试条件：CuKα/石墨单色器；扫描速率：10°/min；管电压：40kV；管电流：150mA；步进角度：0.02°。透射电子显微镜(TEM)透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope，TEM)，是一种高分

8、辨率、高放大倍数的显微镜，通过薄膜电子束成像来显示极微细材料的组织形态与结构特征，是材料科学研究的重要手段。利用电子衍射以