石墨烯超级电容器-雅轩淋淋PPT课件
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• 结果表明，石墨烯/棉布柔性电极具有 较高的比容量、功率密度、能量密度 以及良好的稳定性，是一种价格低廉、 环境友好的电极材料。
13
三、国内外石墨烯生产现状
• 国外：
XG Sciences的x-GnP已经被美国空军研究院选作超高能量超级电容器的储能系统。
14
15
• 国内：
• 金路集团；中国宝安；中航三鑫。
石墨烯超级电容器的制造技术及其应 用进展
雅轩淋淋
主要内容
1. 不同储能器件的介绍 2. 石墨烯超级电容器的研究进展 3. 国内外石墨烯生产现状 4. 应用进展 5. 结论
一、不同的储能器件介绍
超级电容器
镍镉电池
蓄电池 锂离子电池
铅酸电池 普通电容器
3
储能特点：
能量密度（Wh/kg）是指单位重量的电池所储存的能量是多少。 功率密度（W/kg)指的是单位重量的电池在放电时可以以何种速率进行能量输出。
• 中型超级电容器的应用：
• 为工业应用提供更持久的连接性和功能性，例如，风车音调控制系统、机器人、DVR(动 态电压调节器)，室内起重机。
• 其他应用包括电动工具和LED手电筒。
• 大型超级电容器的应用：
• 重型动力应用，如电车、军事、和其他车辆。
18
市场及前景
目前的市场结构状况
未来市场结构状况预测
11
5. 通过添加CNT实现高性能
日本物质材料研究机构（NIMS）通 过在石墨烯中添加CNT来制作电极，在 石墨烯中添加CNT之后，CNT会通过自 组装方式自然地进入石墨烯中。这制造 了适当的间隙，使电流及离子的密度增 加。
NIMS采用该电极与水性电解液制 造EC时发现，电极单位重量的输出功率 密度为58.5kW/kg，单位重量的能量密 度为62.8Wh/kg，“分别是采用活性炭电 极时的10倍”（NIMS）。采用离子液体 作为电解液时，能量密度进一步提பைடு நூலகம்到 了155.6Wh/kg。
莱斯大学与韩国科学技术院的研究人 员采用特殊的结构设计来充分发挥石 墨烯平面内的导电性。
传统超级电容器中，碳材料相对于集流体 无规取向，从而限制了电解液在石墨面内 的有效渗透。
面内设计增强了电解液与每一层碳的作用， 从而充分利用了石墨烯较高的表面积。
——利用每层石墨烯的表面来储存能量。
多层还原氧化石墨烯采用层层自组装 （LBL）的方法。
4
储能机理：
充放电特点： 快速大功率；
慢速大容量。
5
• 石墨烯作为超级电容器电极材料的优势 • ① 石墨烯具有大的比表面积 • 单层石墨烯的比表面积理论值达到2630m2/g。
② 石墨烯的平面片状结构有利于电解液的浸润 和离子的吸附/解吸，提高电容器的储能密度和 功率特性。石墨烯片层搭接形成的稳定介孔结构， 能增大电容器有效利用的双电层面积。 • ③ 石墨烯片层具有优异的导电和导热性——降 低内电阻。并提高其散热性能，从而提高电容器 的充放电速率和功率密度。
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二、石墨烯超级电容器的研究进展
1. 美国研制超级电池：几秒钟内完成手机充电
最近美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级 电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍，可以在数秒 内为手机甚至汽车充电，同时可用于制造体积较小的器件。30min-100
却能在几秒或者几分钟内放电完毕，有望取代电池。
通过弯曲和卷曲石墨烯片，电解液可以更大比例的和石墨烯表面进行接触，从而提
高储存电量。
镍氢电池和锂离子电池分别为40-100 Wh/kg和120 Wh/kg。
10
Nano Lett.2010, 10, 4863-–4868
4. 超薄平面石墨烯超级电容器
Nano Lett.2011, 11, 1423–1427
9
Science, 2011, 332(24).1537-1541
3. 美研制新型超级电容器，储能打破世界纪录——卷曲的石墨烯
10μm 美国俄亥俄州代顿市Nanotek Instruments公司新研制的石墨烯基超级电容器在室温
下可以达到85.6 Wh/kg(80℃时为130Wh/kg)的能量密度，相当于镍氢电池的储能，
• 产品：氧化石墨烯和石墨烯微片。 • 用途：锂电和超级电容器的电极；导电添加剂；导热薄膜；防腐涂料；增强剂。
• 目前，他们已自行开发出扣式石墨烯超级电容器和卷绕式石墨烯超级电容器，并 在设计中试生产线，预计明年9月可建成投产。
上海交通大学的郭守武教授课题组 0.5元/克
16
四、应用进展
超级电容器储能的优势： 瞬时大功率 快速充放电 循环次数多（寿命长） 使用温度范围宽
7
有望用于高能、柔性电子产品中。
8
Science, 2012, 335(6), 1326-1330
2. 科学家用石墨烯合成新型碳材料——KOH活化
l 德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系材料科学与工程教授Rodney S. Ruoff领导的科 研团队成功制备出一种由石墨烯衍生出的新型三维多孔碳材料。3100m2/g l 利用该材料作为电极组装成的超级电容器，其能量密度(70Wh/kg)可达到铅酸电池 的水平，同时还保持超级电容器固有的高功率输出和极快的充电速度(250kw/kg)，有 望应用于电动汽车以及解决风能、太阳能等间歇性能源的存储问题。
小：3 ~ 50F
中：90 ~ 360F
大：600 ~ 5000F
小功率
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• 小功率超级电容器的应用：
• 1、在有记忆储存功能的电子产品中做后备电源，数据保护和备份，适用于带CPU的智能 家电、电表、税控机、控制器、空调、录音机、MP3、汽车音响、电话机、太阳能灯、实 时时钟等。
• 2、用作小功率器件的电源，如：智能水表、燃气表、消毒柜、电子门锁、太阳能设备、 数字机顶盒、玩具等。
12
6. 兰州化物所超级电容器用石墨烯电极材料研究获进展——基质
J. Mater. Chem. , 2012, 22, 17245–17253
• 在中科院“百人计划”和国家自然科 学基金项目支持下，中国科学院兰州 化学物理研究所清洁能源化学与材料 实验室低维材料与化学储能课题组通 过简单的刷涂和热处理技术制备了石 墨烯/棉布柔性电极，并组装成电容器， 研究了其在水系和离子液体电解液中 的电化学性能。
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三、国内外石墨烯生产现状
• 国外：
XG Sciences的x-GnP已经被美国空军研究院选作超高能量超级电容器的储能系统。
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• 国内：
• 金路集团；中国宝安；中航三鑫。
石墨烯超级电容器的制造技术及其应 用进展
雅轩淋淋
主要内容
1. 不同储能器件的介绍 2. 石墨烯超级电容器的研究进展 3. 国内外石墨烯生产现状 4. 应用进展 5. 结论
一、不同的储能器件介绍
超级电容器
镍镉电池
蓄电池 锂离子电池
铅酸电池 普通电容器
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储能特点：
能量密度（Wh/kg）是指单位重量的电池所储存的能量是多少。 功率密度（W/kg)指的是单位重量的电池在放电时可以以何种速率进行能量输出。
• 中型超级电容器的应用：
• 为工业应用提供更持久的连接性和功能性，例如，风车音调控制系统、机器人、DVR(动 态电压调节器)，室内起重机。
• 其他应用包括电动工具和LED手电筒。
• 大型超级电容器的应用：
• 重型动力应用，如电车、军事、和其他车辆。
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市场及前景
目前的市场结构状况
未来市场结构状况预测
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5. 通过添加CNT实现高性能
日本物质材料研究机构（NIMS）通 过在石墨烯中添加CNT来制作电极，在 石墨烯中添加CNT之后，CNT会通过自 组装方式自然地进入石墨烯中。这制造 了适当的间隙，使电流及离子的密度增 加。
NIMS采用该电极与水性电解液制 造EC时发现，电极单位重量的输出功率 密度为58.5kW/kg，单位重量的能量密 度为62.8Wh/kg，“分别是采用活性炭电 极时的10倍”（NIMS）。采用离子液体 作为电解液时，能量密度进一步提பைடு நூலகம்到 了155.6Wh/kg。
莱斯大学与韩国科学技术院的研究人 员采用特殊的结构设计来充分发挥石 墨烯平面内的导电性。
传统超级电容器中，碳材料相对于集流体 无规取向，从而限制了电解液在石墨面内 的有效渗透。
面内设计增强了电解液与每一层碳的作用， 从而充分利用了石墨烯较高的表面积。
——利用每层石墨烯的表面来储存能量。
多层还原氧化石墨烯采用层层自组装 （LBL）的方法。
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储能机理：
充放电特点： 快速大功率；
慢速大容量。
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• 石墨烯作为超级电容器电极材料的优势 • ① 石墨烯具有大的比表面积 • 单层石墨烯的比表面积理论值达到2630m2/g。
② 石墨烯的平面片状结构有利于电解液的浸润 和离子的吸附/解吸，提高电容器的储能密度和 功率特性。石墨烯片层搭接形成的稳定介孔结构， 能增大电容器有效利用的双电层面积。 • ③ 石墨烯片层具有优异的导电和导热性——降 低内电阻。并提高其散热性能，从而提高电容器 的充放电速率和功率密度。
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二、石墨烯超级电容器的研究进展
1. 美国研制超级电池：几秒钟内完成手机充电
最近美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级 电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍，可以在数秒 内为手机甚至汽车充电，同时可用于制造体积较小的器件。30min-100
却能在几秒或者几分钟内放电完毕，有望取代电池。
通过弯曲和卷曲石墨烯片，电解液可以更大比例的和石墨烯表面进行接触，从而提
高储存电量。
镍氢电池和锂离子电池分别为40-100 Wh/kg和120 Wh/kg。
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Nano Lett.2010, 10, 4863-–4868
4. 超薄平面石墨烯超级电容器
Nano Lett.2011, 11, 1423–1427
9
Science, 2011, 332(24).1537-1541
3. 美研制新型超级电容器，储能打破世界纪录——卷曲的石墨烯
10μm 美国俄亥俄州代顿市Nanotek Instruments公司新研制的石墨烯基超级电容器在室温
下可以达到85.6 Wh/kg(80℃时为130Wh/kg)的能量密度，相当于镍氢电池的储能，
• 产品：氧化石墨烯和石墨烯微片。 • 用途：锂电和超级电容器的电极；导电添加剂；导热薄膜；防腐涂料；增强剂。
• 目前，他们已自行开发出扣式石墨烯超级电容器和卷绕式石墨烯超级电容器，并 在设计中试生产线，预计明年9月可建成投产。
上海交通大学的郭守武教授课题组 0.5元/克
16
四、应用进展
超级电容器储能的优势： 瞬时大功率 快速充放电 循环次数多（寿命长） 使用温度范围宽
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有望用于高能、柔性电子产品中。
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Science, 2012, 335(6), 1326-1330
2. 科学家用石墨烯合成新型碳材料——KOH活化
l 德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系材料科学与工程教授Rodney S. Ruoff领导的科 研团队成功制备出一种由石墨烯衍生出的新型三维多孔碳材料。3100m2/g l 利用该材料作为电极组装成的超级电容器，其能量密度(70Wh/kg)可达到铅酸电池 的水平，同时还保持超级电容器固有的高功率输出和极快的充电速度(250kw/kg)，有 望应用于电动汽车以及解决风能、太阳能等间歇性能源的存储问题。
小：3 ~ 50F
中：90 ~ 360F
大：600 ~ 5000F
小功率
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• 小功率超级电容器的应用：
• 1、在有记忆储存功能的电子产品中做后备电源，数据保护和备份，适用于带CPU的智能 家电、电表、税控机、控制器、空调、录音机、MP3、汽车音响、电话机、太阳能灯、实 时时钟等。
• 2、用作小功率器件的电源，如：智能水表、燃气表、消毒柜、电子门锁、太阳能设备、 数字机顶盒、玩具等。
12
6. 兰州化物所超级电容器用石墨烯电极材料研究获进展——基质
J. Mater. Chem. , 2012, 22, 17245–17253
• 在中科院“百人计划”和国家自然科 学基金项目支持下，中国科学院兰州 化学物理研究所清洁能源化学与材料 实验室低维材料与化学储能课题组通 过简单的刷涂和热处理技术制备了石 墨烯/棉布柔性电极，并组装成电容器， 研究了其在水系和离子液体电解液中 的电化学性能。