Исследование графеновых композитов в суперконденсаторах

Аннотация: С момента открытия графена в 2004 году исследования графеновых композитов были горячими. В данной статье рассматривается прогресс в исследованиях композитов полианилин / графен и диоксид марганца и графена в электродных материалах суперконденсаторов и рассматривается будущее применение этих материалов в электродных материалах суперконденсаторов.

Xingruiguang; Лиянань

(Колледж редкоземельных элементов, Университет науки и технологий Внутренней Монголии, Баотоу 014010)

Углерод широко встречается в природе. Помимо наиболее известных графита и алмаза, фуллерены, открытые в 1985 году, и углеродные нанотрубки, открытые в 1991 году, расширили семейство углеродных материалов. Это также дает людям более глубокое понимание разнообразия углерода. В то же время нанотехнологии, вызванные фуллеренами и углеродными нанотрубками, имеют большое значение для развития человеческого общества в будущем. Графен, последний из углеродных материалов, представляет собой двумерный кристалл из атомов углерода с гибридной орбитой SP2. Он был обнаружен Геймом из Манчестерского университета в Великобритании в 2004 году и может быть стабильным. В настоящее время это самый тонкий в мире материал одноатомной толщины. Графен не только обладает прекрасными электрическими свойствами (подвижность электронов до 200000 см2 · В-1 · с-1 при комнатной температуре), небольшой массой, хорошей теплопроводностью (5000 Вт · м-1 · К-1), большей площадью поверхности (2630 м2 · г-1), его Модуль Юнга (1100 ГПа) и прочность на излом (125 ГПа) также сопоставимы с углеродными нанотрубками, и они также обладают некоторыми уникальными свойствами, такими как квантовый эффект Холла, квантовый туннельный эффект и так далее. Благодаря вышеуказанным уникальным наноструктурам и отличным характеристикам графен может применяться во многих современных материалах и устройствах, таких как тонкопленочные материалы, материалы для аккумулирования энергии, жидкокристаллические материалы и механические резонаторы. Графен представляет собой однослойный графит, а сырье легко получить, поэтому он дешев и не так дорог, как углеродные нанотрубки. Поэтому ожидается, что графен заменит углеродные нанотрубки в качестве высококачественного наполнителя для углеродных нанокомпозитов на основе полимеров. Среди многих свойств графена высокая удельная поверхность и хорошая проводимость. Самым важным является то, что емкость самого графена составляет 21 мкФ / см2, что достигает верхнего предела для всех конденсаторов с двойным электрическим слоем на основе углерода, который выше, чем у других углеродных материалов. Это идеальный материал для изготовления суперконденсаторов.

Суперконденсаторы, также известные как электрохимические конденсаторы, представляют собой новый тип накопителя энергии с плотностью энергии и удельной мощностью между обычными конденсаторами и батареями. Суперконденсаторы сочетают в себе преимущества батарей и обычных конденсаторов. Такие как высокая плотность энергии, высокая удельная мощность, быстрая зарядка и разрядка, длительный срок службы, с мгновенным сильноточным разрядом и отсутствием загрязнения окружающей среды, а также другие характеристики, это новый тип оборудования для хранения энергии и энергосбережения, разработанный в прошлом. десятилетие.

Поскольку графен является идеальным материалом для заполнения суперконденсатора, подготовка материалов суперконденсатора является большой проблемой, смешивая его с другими материалами.

Есть два основных типа композитов. Первый - это композит графена с полимерными проводящими материалами, из которых наиболее изучены композиты графена и полианилина. Второй - это соединение графена с оксидами металлов, из которых наиболее изучены композиты графена и диоксида марганца. В данной статье дается краткое изложение исследований этих двух видов композитов.

Композиты графена и полианилина используются в материалах суперконденсаторов. В дополнение к особым свойствам графена, упомянутым выше, полианилин обладает преимуществами высокой проводимости, легкости синтеза и низкой стоимости мономера. Zhao et al. получены композиты полианилин / графен с использованием полимеризации на месте в кислых условиях. Было обнаружено, что полианилин равномерно адсорбируется на поверхности графена или равномерно диспергируется между листами графена. Когда плотность тока составляла 0,1 А / г, емкость достигала 480 Ф / г, и у него была хорошая циркуляция.

Ли и др. проведена анодная электрополимеризация на месте графеновых листов с образованием полианилина. Полученный композит имел предел прочности на разрыв 12,6 МПа и высокую и стабильную электрохимическую емкость (удельный вес 233 Ф / г, удельный объем 135 Ф / см3), что превосходит многие другие доступные в настоящее время гибкие электроды на основе углерода, и, следовательно, имеет большие перспективы в гибких суперконденсаторах.

Shi et al. сначала химически модифицированный графен соединили с полианилиновыми волокнами, чтобы сформировать стабильную смесь, а затем получили тонкопленочные композиты графен / полианилиновое волокно с помощью вакуумной фильтрации, где полианилиновые волокна были равномерно распределены между прослойками графена. Композитный материал обладает стабильными механическими свойствами и высокой гибкостью и может изгибаться под большим углом для получения желаемой формы. Когда содержание модифицированного графена составляет 44%, емкость самая большая, 210 Ф / г.

Ян и др. сообщил, что композитная бумага из полианилина и графена была получена путем простого и быстрого смешивания растворов и полимеризации in situ. Этот композитный материал обладает хорошими электрическими свойствами. Стоит отметить, что эта композитная бумага относится к области биологии. Возможная прикладная ценность. Wei et al. объединил функциональный графен с наночастицами полианилина для получения конденсатора 1046 Ф / г, что почти вдвое больше, чем у чистых полианилиновых материалов.

Второй - это соединение графена и оксидов металлов, из которых наиболее изучен композитный материал графена и диоксида марганца. Wei et al. смешанный перманганат калия с графеном, восстановленный перманганат калия до диоксида марганца с помощью микроволнового излучения и восстановленный диоксид марганца были нанесены на поверхность графена. Такой композитный материал использовался в качестве анода, а активированный уголь использовался в качестве катода для получения конденсатора. 114F / г,

Количество циклов может достигать 1000 раз, чтобы получить суперконденсатор. Ян и др. методом самосборки получен многослойный полидиаллилдиметиламмоний хлорид-модифицированный композит монетита и диоксида марганца с более высокой емкостью и большим временем цикла.

Таким образом, с непрерывным развитием общества, постоянным потреблением ресурсов и непрерывным развитием экономики графеновые композиты, несомненно, будут играть чрезвычайно важную роль в электронной области будущего.

Страница содержит содержимое машинного перевода.