石墨烯基超级电容器

比电容高达1335 F g-1（放电电流：2.8 A g-1） Ni(OH)2纳米片直接生长并锚定于石墨烯表面，二者间的 化学键和范德华力可以加速电子的传递
H. Wang et al. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 7472
石墨烯在法拉第赝电容器中的应用
石墨烯锚定RuO2•H2O
PANI在GO表面 异相成核 PANI在体相内 均相成核
石墨烯在法拉第赝电容器中的应用
氧化石墨烯-聚苯胺纳米线阵列
PANI-GO 555 F g-1 92% PANI
石墨烯表面的有序且较小直径的PANI纳米线可改善离子传 输，提高PANI的利用率 石墨烯承担部分PANI氧化还原时的机械变形 竖直的PANI纳米线阵列可以灵活的应对应力变化
利用高比表面积 电极和电解质间 形成的界面双电 层电容储存能量
利用快速、高 度可逆的化学吸 附／脱附和氧化 ／还原反应储存 能量
将双电层电容电 极和法拉第赝电 容电极相结合的 新一代超级电容 器
超级电容器简介
能量密度较低
开发高比表面积的电极材料是提高性能的重要途径之一
主要内容
2007. 01
超级电容器简介
石墨烯在双电层电容器中的应用
自组装法制备平面超级电容器
堆叠式
平面式
平面结构更加有利于电解质 向电极内部的迁移扩散，有 效提高石墨烯片层的利用率
J. J. Yoo et al. Nano Lett., 2011, 11 , 1423–1427
石墨烯在双电层电容器中的应用
自组装法制备平面超级电容器
13. K.S. Novoselov et al. Science, 2004, 306, 666
谢谢大家!
附录
发生堆叠，导致其 比表面积下降
主要内容
2007. 01
超级电容器简介
石墨烯在超级电容器中的应用
总结与展望 参考文献
参考文献
EI-Kady, MF et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1475 2. Q. Cheng et al. J. Power Sources, 2013, 241, 423
6KOH + 2C ↔ 2K + 3H2 + 2K2CO3
包含大量单层石墨烯 形成三维多孔网络
166 F g-1
2400 m2 g-1
Y. Zhu et al. Science 2011, 332, 1537
石墨烯在双电层电容器中的应用
激光划片法制备微型超级电容器
简易 易放大
EI-Kady, MF et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1475
S Bose et al. Nanotechnology, 22 (2011) , 295202
石墨烯在法拉第赝电容器中的应用
氧化石墨烯聚苯胺纳米线阵列
0.05M
Fra Baidu bibliotek0.06M
采用不同浓度的苯胺制备的 PANI-GO的SEM图
J. Xu et al. ACS Nano, 2010, 4, 5019
苯胺浓度与制得PANI-GO 比电容的关系图
石墨烯在法拉第赝电容器中的应用
原位聚合法制备石墨烯-聚吡咯复合电极材料
S Bose et al. Nanotechnology, 22 (2011) , 295202
石墨烯在法拉第赝电容器中的应用
原位聚合法制备石墨烯-聚吡咯复合电极材料
PPGNS20 267 F g-1
PPy
137 F g-1
石墨烯可以加速PPy环中α-C或者β-C原子的氧化和去氧化 PPy在石墨烯表面的附着缩短了电解液中离子的扩散迁移路径 石墨烯承担部分PPy氧化还原时的机械变形
主要内容
2007. 01
超级电容器简介
石墨烯在超级电容器中的应用
总结与展望 参考文献
总结与展望
开发单 层石墨烯
√石墨烯理论比
表面积大、电导率 高、机械强度高和 化学稳定性好，是 一种非常有潜力的 超级电容器电极材 料
增强石 墨烯与其 他活性材 料间的协 同作用 制备批 量化和低 成本化
×石墨烯片层易
247 F g-1 (394 μF cm-2)
平 面 式
堆 叠 式
J. J. Yoo et al. Nano Lett., 2011, 11 , 1423–1427
形状
RMGO
堆叠式
(μF cm-2) 140
平面式
(μF cm-2) 394
石墨烯在法拉第赝电容器中的应用
石墨烯与金属氧化物间的协同效应
锚定式 包裹式 胶囊式
金属氧化物电极材料 √ 能量密度高 × 功率密度低 •导电性差 × 循环稳定性差 •氧化还原过程 中结构变化
Z. Wu et al. Nano Energy, 2012, 1, 107
三明治式
层状式
混合式
金属氧化物/石墨烯复合材料结构模型
石墨烯在法拉第赝电容器中的应用
单晶Ni(OH)2/石墨烯纳米片
1.
3. Y. Huang, J. Liang, Y. Chen. Small, 2012, 8, 1805
4. Z. Wu, G. Zhou, Li. Yin, et al. Nano Energy, 2012, 1, 107 5. 6. 7. 8. EI-Kady, MF et al. Science, 2012, 335, 1326 Y. Zhu et al. Science, 2011, 332, 1537 S. Bose et al. Nanotechnology, 22 (2011) , 295202 Q. Cheng et al. Carbon, 2011, 49, 2917
石墨烯在超级电容器中的应用
总结与展望 参考文献
石墨烯在超级电容器中的应用
康斯坦丁·诺沃肖洛夫
被引用次数：11864 （Nov 2013）
安德烈·海姆
理论比 表面积 大
电导率 高
机械强 度高
化学稳 定性好
石墨烯 很有潜力的超级电容器电极材料
石墨烯在超级电容器中的应用
机械剥离法 外延生长法 化学气相沉积法
石墨烯基超级电容器
主要内容
2007. 01
超级电容器简介
石墨烯在超级电容器中的应用
总结与展望 参考文献
超级电容器简介
传统电容器
功率密度高
超级电容器
充放电速度快 循环寿命长 工作温度范围宽 环境友好
二次电池
能量密度高
超级电容器简介
双电层 电容器 法拉第 赝电容器 不对称 电容器
108 m2 g-1
-1-1 281 m2F gg 570 （1mV s-1）
97.9%
20 Wh kg-1
石墨烯与RuO2之间的协同效应
Ru: 38.3 wt%
Z. S. Wu et al. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3595
石墨烯表面含氧官能团对RuO2起锚定作 用，抑制RuO2颗粒团聚 锚定于石墨烯表面的RuO2可避免石墨烯 片层堆叠
石墨烯在双电层电容器中的应用
激光划片法制备微型超级电容器
182 F g-1 (1 A g-1) 96%
高电导率(2.35×103 S m-1) 大比表面积(1500 m2 g-1)和相互交叉的电极结构有助于缩短电解 液中离子的扩散迁移路径
EI-Kady, MF et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1475
J. Xu et al. ACS Nano, 2010, 4, 5019
石墨烯在不对称电容器中的应用
石墨烯在不对称超级电容器中的应用
Graphene/CNT/PANI
正极 • 石墨烯-金属 氧化物 • 石墨烯-导电 聚合物 • ……
• • • •
负极 石墨烯 石墨烯-CNT 石墨烯-AC ……
Q. Cheng et al. Carbon, 2011, 49, 2917; Q. Cheng et al. J. Power Sources, 2013, 241, 423
氧化石墨还原法
工艺简单 产量较高 成本低廉
8
石墨烯在双电层电容器中的应用
双电层电容器充放电示意图
多孔碳电极结构示意图
A C=ε d
电极材料有效表面积 双电层厚度 介质介电常数
增加电极材料比表面积是提高电容的有效途径
石墨烯在双电层电容器中的应用
KOH活化法制备高比表面石墨烯
BET：3100 m2 g-1
9. J. J. Yoo et al. Nano Lett., 2011, 11 , 1423–1427
10. H. Wang et al. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 7472
11. Z. S. Wu et al. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3595 12. J. Xu et al. ACS Nano, 2010, 4, 5019