二维材料硫化铜复合电极性能及其在电容电池中的应用研究

摘要
电容电池是一种介于锂离子电池和超级电容器之间的储能器件，兼有锂离子电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度、高循环寿命的特点，在现代能源器件开发与应用中具有广阔的前景。

作为电容电池重要组成部分，电极材料是影响电池性能的关键因素，开发具有良好循环性能与高比容量特性的电极材料成为现代科研的重点。

石墨烯具有非常高的理论比表面积、优良的导电性和优异的机械性能，是一种理想的双电层电极材料，现已成为世界各国的能源研究的热点。

本文以石墨烯电极材料为研究对象，采用氧化石墨还原法制备得到石墨烯，对石墨烯电极的电容特性做了详细研究。

并以有机隔膜（celgard 2032）、纤维素隔膜(日本NKK TF40-30)作为对比，研究了不同隔膜对石墨烯电极性能影响。

用水热法制备了电容电池用石墨烯-硫化铜复合电极材料。

并利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）对产物的微观结构和形貌进行了表征。

采用交流阻抗法，循环伏安法和恒电流充放电法和对其进行了电化学性能的研究。

结论如下：（1）采用氧化石墨还原法制备得到石墨烯。

通过石墨烯与导电剂、粘结剂混合制备模拟电容器电极片，对石墨烯电极的电容特性做了详细研究。

SEM结果表明石墨烯电极材料分散均匀，未发生团聚。

采用交流阻抗法，循环伏安法和恒电流充放电法和对其进行了电化学性能的研究。

测试结果表明，该材料制备的电极具有典型的电容性能，扫描速率为10 mV·s-1时，样品在1 mol·L-1的H2SO4溶液中具有256 F·g-1的比电容，经过600次充放电循环后，比容量仍保持87%。

（2）研究不同隔膜材料对石墨烯电极电容特性影响。

结果表明：NKK电极显示了较高的循环稳定性，电极体系不仅极大地提高了比电容，而且还提高了电极材料的循环稳定性。

经测试表明：celgard电极比电容最高达159F·g-1。

在50 mA/cm2电流密度下，恒流充放电循环600次，比电容维持初始值的50%。

NKK电极比电容最高达260 F·g-1。

在50 mA/cm2电流密度下，恒流充放电循环600次，比电容维持初始值的78%，显示了良好的电化学性能。

（3）单纯的石墨烯电极材料很难得到较高的比电容，距离其理论值相去甚远，如何发挥出石墨烯本身的比电容潜力，尽可能的提高石墨烯电极比电容是众多科研工作者面临的的一个难题。

采用水热合成法制备了粒径大小约50 nm的纳米球状硫化铜电极材料，并通过与石墨烯材料的复合制备硫化铜/石墨烯复合电极材料，初步研究了CuS不同质量比时复合电极的电化学性能。

结果表明：CuS所占质量比为20%的复合电极在50 mA/cm2电流密度下，比容量为368 F·g-1，且在循环充
放电600次之后比容量仍保持在90%左右。

关键词：双电层电容，石墨烯，硫化铜，隔膜
ABSTRACT
Super capacitor battery is a type of energy storage device that bridge the gap between lithium-ion battery and electrical double layer capacitor, which combine the advantages of both devices by the synergetic hybridization of the battery and capacitor components. Therefore super capacitor battery has great application potential in energy storage fields. However, electrode material is one of the key factors that limit the performance of Super capacitor battery. Development of new electrochemical energy storage devices with high energy density, high power density and long cycle life has becoming the urgent project to be solved, which also get more and more attention of researchers.AS it has ultrahigh theoretical specific surface area, good electronic conductivity and good mechanical property, graphene is considered to be an ideal electrode material, now it also becomes the hot topic about the energy research.
In this dissertation, graphene prepared by the modified Oxidation Reduction was used as the research object. Capacitive characteristic of graphene electrode materials are research in detail. For comparison the effect of different diaphragm on electrode characteristics is studied. CuS/graphene nanocomposite was synthesized by hydrothermal method to be used as an electrode material for Super capacitor battery. The morphology and microstructure of the products have been characterized by Scanning electron microscopy(SEM), Energy disperse spectroscopy (EDS). The electrode chemical performance of composite electrode materials were revealed by Cyclic voltammetry(CV), Galvanostatic charge-discharge(GCD),Electrochemical impedance spectroscopy(EIS). The following conclusions were drawn.
(1) Graphene prepared by the modified Oxidation Reduction was used as the research object. Capacitive characteristic of grapheme electrode materials are research in detail.SEM result revealed that the composite material was parsed evenly without agglomeration. Electrochemical impedance spectrometry, Cyclic voltammetry, and Galvanostatic charge-discharge tests indicated that the electrode material performed typical capacitance properties, the specific capacitance value of the sample was about 256 F·g-1 in the scan rate of 10 mV·s-1 in 1 mol·L-1 H2SO4, After 600 charge-discharge cycles, the specific capacitance of grapheme electrode maintained at 87%.
(2) For comparison the effect of different diaphragm on Electrode Characteristics is
studied. It indicates NKK diaphragm electrode shows high current density and high cycle stability. The experimental result indicates that the specific capacitance of the NKK diaphragm electrode is more than 260F·g-1.With the test of 50 mA/cm2current density and constant current charge and discharge 600 times, the NKK diaphragm electrode specific capacitance is maintain 78% of the initial specific capacitance and shows good electrochemical performance.
(3)Although the theoretical value of the specific capacitance of graphene electrode material is very high. The experimental data is very difficult to get high specific capacitance. How to improve the specific capacitance of graphene is still a hot topic. CuS/graphene nanocomposite was synthesized by hydrothermal method to be used as an electrode material for Super capacitor battery. SEM result revealed that the composite material was parsed evenly without agglomeration while its diameter was about 50 nm. The experimental result indicates that the specific capacitance is more than 368 F·g-1. With the test of 50 mA/cm2current density and constant current charge and discharge 600 times, the specific capacitance is maintain 90% of the initial specific capacitance and shows good electrochemical performance.
Keywords: supercapacitor, graphene, CuS, diaphragm
目录
第一章绪论 (1)
1.1论文的研究背景与意义 (1)
1.2超级电容器 (2)
1.2.1超级电容器的结构 (2)
1.2.2超级电容器的工作原理： (2)
1.2.3超级电容器的电极材料 (5)
1.3锂离子电池组成及工作原理： (7)
1.4电容电池 (8)
1.4.1电容电池的工作原理： (8)
1.5石墨烯 (9)
1.5.1石墨烯的性质 (10)
1.5.2石墨烯在能量储存与转换中的应用方面的应用 (10)
1.6硫化铜及其能量储存与转换中的应用 (11)
1.7论文的研究意义和主要内容 (11)
第二章实验及测试方法 (13)
2.1主要实验试剂 (13)
2.2实验设备和仪器 (13)
2.3实验步骤及方法： (14)
2.3.1 石墨烯的制备： (14)
2.3.2 石墨烯电极的制备 (15)
2.3.3 石墨烯/CuS复合电极的制备 (15)
2.3.4 电极制备的工艺流程图 (16)
2.3.5 模拟电容器的组装 (16)
2.4材料表征及电化学测试 (16)
2.4.1 X射线衍射 (17)
2.4.2 扫描电子显微镜 (17)
2.4.3循环伏安测试 (18)
2.4.4电化学阻抗谱测试 (20)
2.4.5恒流充放电测试 (22)
第三章石墨烯电极的制备及其性能研究 (24)
3.1石墨烯的制备： (24)
3.2石墨烯电极的制备 (24)
3.3石墨烯电极材料的形貌表征 (26)
3.3.1 扫描电镜（SEM）分析 (26)
3.3.2 XRD分析 (27)
3.4石墨烯电极的电化学性能测试 (28)
3.4.1循环伏安性能 (28)
3.4.2 交流阻抗分析 (31)
3.4.3 恒流充放电测试 (32)
3.5不同隔膜对石墨烯电极的电化学性能影响 (34)
3.5.1 循环伏安性能测试 (34)
3.5.2 交流阻抗分析 (36)
3.5.3 恒流充放电测试 (37)
3.6本章小结： (39)
第四章石墨烯/硫化铜复合电极的制备及其性能研究 (41)
4.1石墨烯/硫化铜复合材料的制备 (41)
4.2石墨烯/硫化铜复合电极的制备 (42)
4.3石墨烯-硫化铜复合材料的物理特征表征 (43)
4.3.1 扫描电镜（SEM）分析 (43)
4.3.2 XRD分析 (44)
4.4石墨烯-硫化铜复合电极的电化学性能测试 (44)
4.4.1 循环伏安性能 (45)
4.4.2 交流阻抗分析 (47)
4.4.3 恒流充放电测试 (48)
4.5本章小结： (50)
第五章结论 (52)
致谢 (54)
参考文献 (55)
攻读硕士学位期间取得的成果 (60)
第一章 绪论
第一章绪论
1.1 论文的研究背景与意义
能源与国家战略密切相关，关系到国家经济的发展以及国家政治的稳定。

近年来石油天然气等传统能源带来的环境污染问题越发严重，各国人民迫切期待环境友好、可再生能源的开发。

人类科技发展日新月异，经济社会需求更多的能源消费。

然而，天然气石油等资源经过自然长久的演化积累而来，其不可再生性严重制约了人类经济社会发展步伐，为了维持人类社会长久生存与可持续性发展，迫切需要开发可再生能源技术，特别是可循环、少污染，环境友好型可再生能源的发展和研究成为了科研工作者关注的重点。

伴随着科技的不断进步及信息化社会的不断创新，电子信息产业得到飞快发展。

手机、笔记本电脑、摄像机等电子产品的功能日益多样化，迫切需要开发高能量密度能源技术。

随着全球经济的快速发展，汽车正在走进千家万户，相对于旧式燃油汽车，电动汽车无噪音、零污染排放等优势有助于自然环境的提高改善，受到人们的广泛关注。

电动汽车的需求演变促使我们开发高性能快速充电、容量密度大的新型电池[1-2]。

超级电容器就是在这种背景下开发出来的新的能源技术，相对于传统电池，超级电容器充电时间短，在数秒内便可完成充电过程，功率密度可达普通电池的100倍以上。

循环寿命高达5万次，几乎是一种永久使用的能源器件。

其耐低温特性优越，即使在-40℃低温条件下也能正常工作，适用于交通设施的低温启动。

然而超级电容器也有以下缺陷：由于超级电容器工作电压较低，即使在有机电解液中也只有3v的工作电压，因此其能量密度较低，约为锂离子电池的1/10，远远达不到传统电池的比能量标准。

锂离子电池是在金属锂二次电池的基础上发展而来的新一代二次电池，锂离子电池工作电压是镉-镍、氢-镍电池的三倍；体积要比氢-镍电池小30%；质量比氢-镍电池轻50%；比能量密度可达到镉-镍电池的2-3倍、氢-镍电池的1-2倍；不存在记忆效应；环保无污染、循环寿命长[3-5]。

但其安全性能不佳、高温高压条件下易爆炸，高倍率及超高倍率下的循环特性和充放电性能都比较差。

鉴于超级电容器与锂离子电池的优缺点，开发同时具有超级电容器的高功率密度、充放电时间短、循环寿命长和锂离子电池高工作电压，高能量密度的能源器件，已经成为动力电源系统研究的重点。

电容电池技术的发展，使得这样的设想成为现实。

[6-7]。

电容电池同时具有超级电容器与锂离子电池的以上优点，充放电时双电层电极通过物理吸附作用产生双电层电容，对电极通过锂离子的嵌入脱
嵌行为进行电荷的交换。

电容电池概念的提出以及发展应用将取代传统电池，改变未来能源系统的格局。

1.2超级电容器
1.2.1超级电容器的结构
图1-1超级电容器的结构示意图
由图1-1中超级电容器的结构示意图可以看出，超级电容器主要包括以下组成部分：电解液、工作电极、集流体、隔膜。

电极材料性能的好坏直接影响着超级电的比容量及循环稳定性。

因此，近年来电极材料的研究成为超级电容器科研领域关注的重点。

作为电容器内部离子传输的载体，电解液充满了整个电容器的内部，在充放电过程中为电解质离子提供反应的场所。

电解液根据电容器内部溶剂的不同，可分为水系电解液（酸性电解液、碱性电解液及中性电解液）、有机系电解液、固态电解液。

水系电解液应用广泛但工作电压较低，一般低于1.5 v，且运输过程中容易发生漏液爬碱等事故；有机系电解液工作电压高达3 v，更高的工作电压意味着更多的能量存储。

隔膜一般由纤维或聚丙稀薄膜材料组成，充放电过程中将正负电极有效隔离以阻止活性物质迁移，同时对电解液保持高度浸润性，促进两极之间进行离子交换。

在后续的章节我们将以有机隔膜（美国celgard 2032）、纤维素隔膜(日本NKK TF40-30)作为对比研究隔膜对双电层电容特性的影响。

1.2.2超级电容器的工作原理：
按工作原理的不同，超级电容器可以分为两类：双电层电容器和赝电容电容器。

第一章 绪论
双电层电容器（electronic double layer capacitor ，EDLC ）利用电极材料活性物质和电解质离子之间由静电引力发生的吸附脱附作用存储能量，不同于赝电容器，其充放电过程发生的仅是高度可逆的物理过程，并未发生响应化学变化。

并且充放电过程没有活性物质的消耗，因此双电层电容器具有理论上大于105次的充放电次数。

这是传统电池（循环寿命几百次）所不具备的优点。

双电层理论最初由德国物理学家Helmhotz 提出。

由双电层理论可知，充放电过程中电极两端施加电压产生的静电引力吸引电解液中的电解质离子，使电解质离子附着在电极表面形成双电层，从而将电荷能量存储起来。

图1-2 双电层电容器充放电过程示意图
如图1-2所示双电层电容器充放电反应机理：充电时，正负极板上施加的电势产生静电引力，存在于电解液中的电解质离子受到静电引力作用吸附于不同极性电极表面，从而实现了电荷能量的存储。

放电时，吸附于电极表面的电解质离子会重新扩散到电解液中，从而实现了电荷的释放。

与传统物理电容器相比，双电层电容器储存的电容量及能量密度相当高。

如下电化学方程式可以完整表述整个充放电过程中的电荷转移过程：
e A E A E +→+-+-//s s （1-1）
--s //e s E C C E ++→++ （1-2）
-+-+-++→++Es C A E A C E E ////s s s （1-3）
其中，Es 表示电极与电解液的交界面，“//”表示充放电过程中形成的双电层，C ＋
表示正电解质离子、A -表示电解质离子，e 表示发生转移的电荷。

根据电容器储存的电荷量比电容表达式[10-11]：
d A C ε= （1-4）
其中：ε为极板间介质d 为正负极板之间的距离。

高极板面积A 的大小。

而料比表面积相关。

这就要求极材料能够充分浸润在电解电极材料具有尽可能多的中“赝电容”的概念由Grah 今意义上赝电容相关的一系容器在充放电过程中发生储能量。

不同于双电层电容极材料活性物质表面及活性学氧化还原反应要比物理吸容值要远大于双电容电容器容值的10倍以上。

充放电过程中赝电容表述如下[12-14]：
（OH MO
X
介质介电常数，C 为电容器存储电荷电容量，A 。

从表达式可以看出，要提高电容器电容量而极板面积跟充放电过程中充分浸润在电解液就要求电极材料不仅要具有相对大的比表面积在电解液中。

近年来通过调整设计碳材料的微观多的中孔结构，成为双电层电容器相关领域研究Grahame 于1947年首次提出。

1975年，Conw 的一系列理论，并一直致力于这方面的研究工作发生电极材料活性物质的的电化学变化产生赝电层电容仅产生于电极材料与电解液的接触面，及活性物质内部均可发生可逆的电化学反应。

物理吸附作用储存的能量高很多，因此赝电容器电容器。

通常情况下，赝电容比电容值可以达到图1-3赝电容器工作原理图
电容电容器电极材料活性物质发生的电化学氧化δδδδ++
−−−−←−−→−++y -x discharge charge y e ）（）OH MO H 为极板面积，容量，可以考虑提电解液中的电极材面积，还要保证电的微观结构，保证研究的热点。

Conway 建立了当究工作。

赝电容电生赝电容，从而存，赝电容器在电。

同时由于电化电容器实际的比电以达到双电层比电
氧化还原反应可 （1- 5）
第一章 绪论 ）（+-+
−−−−←−−→−++x x discharge charge e δδδδH MO H MO X （1- 6） 虽然赝电容电容器具有大的比容量，但相比于双电容电容器充放电过程中发生的简单的物理吸附作用，赝电容电容器充放电过程中发生的电极活性物质与电解质离子的化学氧化还原反应，经过长时间充放电循环会带来电解质离子消耗、活性物质减少等现象，从而导致赝电容器比容量下降。

因此，如何提高赝电容电容器的充放电寿命及循环稳定性是相关领域面临的难题。

目前赝电容电容器的研究热点主要体现在制备电化学性能优良及成本低廉的过渡族金属氧化物（RuO 2，MnO 2，TiO 2等）[47-49]。

1.2.3超级电容器的电极材料
超级电容器充放电过程中的储能行为与电极材料发生的物理吸附作用或电化学氧化还原反应密切相关，电极材料性能对电容器电容特性起着决定性作用。

当今领域科研的重点便是寻找比电容大、循环性能优良的电极材料。

目前，已被开发利用的相关电极材料众多，根据充放电过程中电荷储存原理的不同可分为三大类：碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料[15-17]。

1.2.3.1碳材料
碳材料循环性能稳定、原材料廉价易得，在超级电容器电极材料的应用中占据着重要位置。

碳材料具有理想大的比表面积，应用于超级电容器电极理论上具有较大的比电容。

近年来研究表明，实际应用中碳极材料比电容值并不总是与比表面积成正比，只有中孔发达的活性材料才能将大的比表面积转换为电解液有效浸润比面积。

因此合理调控碳材料微孔结构以提升电容器比电容已成为相关科研领域的热点。

目前，应用于超级电容器的碳材料主要包括活性碳、石墨烯以及碳纳米管。

活性碳又称活性炭黑，它主要来源于碳水化合物的部分燃烧或热分解。

活性碳具有很高的比表面积，比表面积可达1000-1600 m 2/g [18-19]，高的比表面积有利于获得更高的双电层电容。

有文献[53-54]报道，活性炭作为超级电容器电极材料，其比电容能够达到250F·g -1。

由于碳纳米管微孔结构中，由管间空隙构成的微孔具有独特的中空结构，能使电解液充分浸润于碳纳米管内腔，因此碳纳米管电极具有很高的比表面积利用率。

Qiao-Ling Ch 制备出超级电容器用碳纳米管电极[55]，在1Mol/L 的硫酸电解液中测试电容器得到365 F·g -1的比电容。

Yang 小组[20]采用快速热膨胀法还原氧化石墨烯，成功制备片层之间堆叠层数较少的的石墨烯，用于超级电容
器电极，在水系电解液中比电容可达到264 F·g-1，在有机电解液中比电容为122 F·g-1。

1.2.3.2过渡金属氧化物
过渡金属氧化物用于电容器电极，充放电过程中产生赝电容储存电荷。

在己知的过渡族金属氧化物电极材料中，RuO2电极材料内阻较小，且电极/电解液界面产生的赝电容远远大于其他金属氧化物材料，引起人们广泛关注。

王晓峰[21]等以RuCl3及NaHCO3为反应前驱体，采用溶胶凝胶法获得了RuO2超细纳米材料，将该纳米材料用于超级电容器电极，测试比电容高达541 F·g-1。

RuO2基超级电容器具有较高的比电容，但是Ru作为一种贵重金属，价格昂贵，除了用于军事上性能要求较高的场所，民用价值并不高。

为了降低成本，可以考虑在RuO2电极材料中掺杂少许碳类材料，充分利用碳材料比表面积大以及RuO2比电容高的特点。

除此之外，也有相关文献报道了氧化锰、氧化钴等金属氧化物应用于超级电容器的电容特性。

Lee利用液相法制得无定型氧化锰粉末材料，并施加一定压力压制在Ti 集流体上制成氧化锰电极[56]，在2 Mol/L KCL电解液溶液中测试电极比电容可以达到200 F·g-1，具有优良的电容行为。

Kuang等合成了孔径约为10nm的NiCo2O4纳米微球，在 1 A·g-1的电流密度下测试其电化学性能，测得电极具有372 F·g-1的比电容，同时具有良好的循环稳定性能，充放电循环2000次以后比电容仍保持为初始值的88.3%。

1.2.3.3导电聚合物
作为一种新的电极材料，导电聚合物内部结构中的共轭键使其具有优良的导电性，与碳材料相比具有较高的比电容值，同时成本要比金属氧化物低很多。

因同时具备容量密度高、成本低廉、分子结构易设计等优点，导电聚合物材料在超级电容器中的应用逐渐受到人们的重视。

导电聚合物通过充放电过程中聚合物膜上产生的大的双电层，以及n型或p型掺杂、脱掺作用产生的法拉第电容从而能够存储较多的电容量。

常见的导电聚合物材料有聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺[23-24]。

Dubal等人[57]通过二步骤法制备出20nm的聚吡咯纳米片，在0.5 Mol/L硫酸溶液中测试其电化学性能，测试出比电容值为533 F·g-1，充放电效率达到93%，具有良好的循环稳定性。

但是在长期充放电循环过程中，导电聚合物电极材料容易发生电化学稳定性能衰减等问题，对此可将聚合物材料与碳材料或者金属氧化物材料复合提高其循环寿命。

Cao等制备出聚苯胺电极材料，通过与石墨烯复合并组装为电容器，在1Mol/L硫酸溶液中测试其电化学性能，比电容为338 F·g-1，进行1000
第一章 绪论
次循环充放电，比电容仍能保持初始值的87.4%。

1.3 锂离子电池组成及工作原理：
锂离子电池主要是由外壳、电极片、弹簧片、电解液、隔膜、集电器组成。

从工作原理来说，锂离子电池实质上是一种电化学提供外电路能量供给的浓度差电池，依靠Li +在正负电极间来回移动来实现充电和放电的循环。

充电过程中，Li +在外电场的作用下脱离正电极，穿过电解液及隔膜到达负极之后，在负极发生电化学反应嵌入在负极材料中。

放电时与充电过程恰好相反：在放电过程中，Li +从负极脱嵌并穿过隔膜嵌入正极，放电完成后，正极恢复为富锂状态，电池内部再次达到化学能平衡和电势平衡[25]。

图1-4锂离子电池工作原理图
如图1-4中负极采用石墨材料，正极采用LiCoO 2材料，电解液为EC/DEC 有机电解液，六氟磷锂（LiPF 6）为电解质的的锂离子电池，其工作原理为：在充电时，Li +从正极材料中脱嵌出来，Co 3+发生相应的化学反应变为Co 4+，同时Li +在电势梯度的驱使下进入到电解液，穿过隔膜后移动到电池负极，嵌入到电池负极并存于在负极材料石墨的片层结构中；放电时则以相反过程进行，存在于负极材料中的Li +离开负极晶格，进入电解液，穿过隔膜向正极方向移动，重新嵌入正极材料LiCoO 2中。

电极反应式表述如下：
正极反应:
-
2x -1discharge
charge 2xe i o i o i ++−−−−←−−→−+L O C L O C L （1-7）
负极反应：
6x discharge charge -i xe i x 6C L L C −−−−←−−→−+++ （1-8）
电池总反应：
6x 2x -1discharge charge 2i o i 6o i C L O C L C O C L +−−−−←−−→−+ （1-9）
从充放电反应表达式可以看出，充放电过程中，锂离子电池内部仅发生碳材料和金属氧化物之间的Li +的嵌入和脱嵌反应，通常情况未发生电池内部电结构变化，杜绝了结构变化引起的体积膨胀事故的反生，较大程度上提高了电池的安全性能。

此外电极反应为良好的可逆过程，电池的循环性能得到保障。

1.4 电容电池
1.4.1电容电池的工作原理：
鉴于超级电容器与锂离子电池的优缺点，开发同时具有超级电容器的高功率密度、充放电时间短、循环寿命长和锂离子电池高的工作电压，能量密度大等优点的能源器件，已经成为动力电源系统研究的重点。

电容电池技术的发展，使得这样的设想成为了现实[6-7]。

电容电池同时具有超级电容器与锂离子电池的优点，充放电时单电极经物理吸附作用产生双电层电容，对电极通过锂离子的脱嵌行为进行电荷的交换。

图1-5电容电池工作原理示意图
如图1-5所示，电容电池层电容的储能，负极材料为嵌电化学储能。

充电时，
动到电池负极，嵌入负极材用下，电解质离子聚集在电中的Li+离开负极晶格，进入料晶格中。

1.5石墨烯
石墨烯具有独特的单碳的连接了相邻的三个碳原子成键π电子和近邻的其它碳材料具有优异的力学性能
烯具有优良的导电性。

从结基础[28]。

此前已知的碳族材管和三维石墨。

二维石墨烯稀相比，这几种碳元素同素率、显著的室温量子霍尔效热导率和高的力学强度等众米材料的应用研究之外，
电薄膜、太阳能电池等领域
第一章 绪论
容电池内部正极材料为高比表面积的碳材料，
材料为离子嵌入化合物材料，用来进行锂离子的
，正极材料中的Li+发生脱嵌作用进入电解液
负极材料的插层结构中。

同时在正极积累电荷
在电极表面形成双电层进行储能。

放电时，
进入电解液，穿过隔膜向正极方向移动，重新
单碳原子厚度结构特性，每个碳原子的Sp2轨道
碳原子，形成规则的六元环结构，键角120°，
其它碳原子一起形成共轭π轨道。

δ键极强的键能
性能，同时由于π电子可以在平面内自由移动
从结构上看，石墨烯是构成其他几种碳元素
碳族材料同素异形体包含零维富勒烯，一维单壁
石墨烯的发现，使纳米碳元素体系更加完善[26
同素异形体未能像石墨稀一样同时具备超高的
霍尔效应、自旋传输性质、光波吸收和零能隙性
度等众多优异的物理特性和电学性能。

近年来继
，石墨烯材料的制备，及其在储能器件、传感
等领域的应用研究受到了人们极大的关注。

图1-6碳族材料同素异形体
，用来进行双电
离子的快速嵌入脱
解液，穿过隔膜移
电荷的静电吸附作
，存在于在负极
重新嵌入正极材
轨道以δ键牢固
，剩余的一个未
的键能使得石墨烯
移动，从而使石墨
元素同素异形体的
维单壁/多壁碳纳米
[26-27]。

而与石墨
超高的载流子迁移
能隙性质、极高的
年来继碳纳米管纳
传感器、透明导。