基于石墨烯的復(fù)合材料的制備及其在儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯，一種由sp2雜化碳組成的六方晶格緊密排列而成的二維平面單分子層晶體材料，自其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，引起了全世界科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。由于石墨烯具有非常高的理論比表面積(2675 m2/g)，優(yōu)良的導(dǎo)電性和優(yōu)異的機(jī)械性能，因此它是一種理想的電極材料，在超級(jí)電容器、鋰離子電池等儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。本論文主要從石墨烯材料出發(fā)，將石墨烯與其它電極活性材料通過(guò)摻雜、包覆等手段進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能等方面的改性，使得制備出的

2、復(fù)合材料在超級(jí)電容器、鋰離子電池中具有更好的電化學(xué)性能。本論文的研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.基于石墨烯三維多孔碳材料的制備及其在超級(jí)電容器中的性能研究。在這部分工作中，我們將很少量的氧化石墨烯（～4 wt％）與天然生物質(zhì)類的活性炭前驅(qū)體進(jìn)行原位復(fù)合，通過(guò)簡(jiǎn)單綠色環(huán)保的水熱炭化及活化兩步法制備出了三維石墨烯基多孔碳材料。所得材料的比表面積最高達(dá)到3355 m2/g，并且具有良好的導(dǎo)電性。這是由于:1）單層石墨烯片的插入，一方面阻止了純的

3、活性炭前驅(qū)體在水熱反應(yīng)中的聚集，同時(shí)與其交聯(lián)形成了三維多孔結(jié)構(gòu)，從而有利于后期在活化反應(yīng)中的造孔過(guò)程，使其比表面積大大提高，并且孔徑分布也由之前的微孔區(qū)（純活性炭體系）移動(dòng)到了介孔區(qū);2）石墨烯作為良好的導(dǎo)電材料，在體系中可以形成很好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性。之后我們通過(guò)各種結(jié)構(gòu)和形貌表征探究了該三維石墨烯基多孔碳材料的本質(zhì)，它主要是由單層彎曲的具有缺陷的納米級(jí)石墨烯片所組成。隨后我們測(cè)試了這些復(fù)合材料在超級(jí)電容器中的電化學(xué)

4、性能。結(jié)果顯示，以該復(fù)合材料作為電極材料的超級(jí)電容器在有機(jī)電解液體系和離子液體體系中均體現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，其中最高比電容值可達(dá)216 F/g，能量密度高達(dá)92 Wh/kg，并且循環(huán)穩(wěn)定性能良好。
　　2.基于石墨烯的復(fù)合材料的高性能電化學(xué)混合電容器的設(shè)計(jì)與性能研究。我們知道，在新型高性能儲(chǔ)能器件中，超級(jí)電容器的功率密度高，充放電速度快，但是能量密度低;而鋰離子電池則相反，能量密度高，但功率密度低。因此在這部分工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)了

5、一種基于石墨烯復(fù)合電極材料的超級(jí)電容器和鋰離子電池雜化的混合電容器，期望能利用超級(jí)電容器和鋰離子電池各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)獲得較高的功率密度和能量密度。首先我們通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱反應(yīng)和高溫處理制備出了Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料，作為混合電容器的負(fù)極材料。該復(fù)合材料顯示出很高的比容量（90 mA/g的電流密度下高達(dá)～1000 mAh/g），優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)性。隨后，我們采用具有高比表面積和高電導(dǎo)率的三維石墨烯基多孔碳材料作為混合電容器的正

6、極材料，并通過(guò)匹配正負(fù)極材料的質(zhì)量組裝了基于鋰離子電解液的混合電容器。由于石墨烯的引入，正負(fù)極材料的性能均有較大提高，因此該混合電容器具有超高的能量密度(147Wh/kg)和較高的功率密度(2587W/kg)，是目前所報(bào)道的同類混合電容器中性能最佳的器件。此外，它的器件能量密度與鉛酸電池和鎳氫電池相當(dāng)，并且功率密度也可達(dá)到傳統(tǒng)對(duì)稱超級(jí)電容器的級(jí)別。因此，混合電容器作為一種快速高效儲(chǔ)能器件在將來(lái)會(huì)有很好的應(yīng)用前景。
　　3.基于三維

7、石墨烯基多孔碳材料的疊層超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)及性能研究。在這部分工作中，為了進(jìn)一步提高超級(jí)電容器的工作電壓及能量密度，我們以具有優(yōu)異電容性能的三維石墨烯基多孔碳材料為電極材料，設(shè)計(jì)了內(nèi)部串聯(lián)的疊層超級(jí)電容器。我們通過(guò)將兩對(duì)單體電極內(nèi)部串聯(lián)在一起，使得整個(gè)超級(jí)電容器的工作電壓提高到7V;在能量密度方面，這種疊層超級(jí)電容器也由原來(lái)單體超級(jí)電容器的27.2 Wh/kg提高到36.3 Wh/kg，提高了～33％，并且是商用超級(jí)電容器能量密度的7倍。

8、同時(shí)該器件仍能保持較好的倍率性能和良好的循環(huán)性。此外，我們又進(jìn)一步組裝了柔性的疊層超級(jí)電容器，其也具有類似的優(yōu)異的電化學(xué)性能，從而驗(yàn)證了這種疊層結(jié)構(gòu)的普適性，具有很重要的意義。
　　4.石墨烯/二硫化鉬/聚苯胺三元復(fù)合材料的制備及其在鋰離子電池中的應(yīng)用研究。在這部分工作中，我們通過(guò)原位水熱制備的方法制備了石墨烯/MoS2/聚苯胺三元復(fù)合材料。通過(guò)形貌結(jié)構(gòu)分析我們發(fā)現(xiàn)，石墨烯、聚苯胺的加入改變了MoS2的結(jié)構(gòu)，形成了較為疏松的無(wú)定形