石墨烯在儲能領(lǐng)域中的應(yīng)用探討

江嬋

摘 要：隨著世界人口水平的逐年上升，能源危機(jī)日益明顯，生態(tài)遭到惡化，開發(fā)可再生新能源迫在眉睫。為了充分開發(fā)利用可再生新能源，研制與其配套的儲能裝置是成為關(guān)鍵。電源和電容器是使用最普遍的儲能裝置，但存在持續(xù)性和放電功率小的問題。石墨烯是由sp2雜化的碳原子緊密堆積成的單原子層二維碳材料，因其具備良好的化學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)在儲能電池技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。本文簡述了近年石墨烯作為超級電容器導(dǎo)電劑材料、二次電池電極材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：石墨烯；儲能領(lǐng)域；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.063

1 石墨烯簡介

石墨烯是科學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)的一種理想的單層二維碳質(zhì)晶體。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)在空間上由碳原子以sp2雜化和正六邊形的形式堆積而成，形成平面六邊形點陣，其基本結(jié)理論比表面積為2600m2/g。碳原子在自然界中可以形成多種形態(tài)，石墨烯是其中較為簡單的結(jié)構(gòu)單元。由于單層的石墨烯只有一個碳原子的厚度（0.335nm），所以更容易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。目前，石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域特別廣泛，包括能源、電子、通信、生物科技和材料等各個領(lǐng)域。石墨烯除了有高理論比表面積外，還具備諸多獨特的性質(zhì)，包括熱導(dǎo)率較高，為5000W/（m·K）；其楊氏模量較大，為1TPa。另外，石墨烯還具有較高的透光率（97.7%）和電子遷移率（2x 105cm2/V·S）。這些特殊的物理性質(zhì)使其具有卓越的電荷儲存性能，有望成為電池儲能體系中重要的材料。

2 石墨烯在電池儲能領(lǐng)域中的應(yīng)用

眾所周知，電化學(xué)儲能領(lǐng)域能夠廣泛利用石墨烯的特性，并在短時間內(nèi)達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)，尤其是在超級電容器和電池領(lǐng)域。因此，將石墨烯應(yīng)用于電化學(xué)儲能領(lǐng)域受到了科技界和企業(yè)的共同關(guān)注。近年來，有關(guān)石墨烯在儲能領(lǐng)域的技術(shù)不斷產(chǎn)生，使得石墨烯能夠發(fā)揮“導(dǎo)電”和“儲能”的雙重特性。值得關(guān)注的是，科學(xué)家將石墨烯與其他材料復(fù)合形成了二元和三元材料，具有很好的應(yīng)用價值，有望實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

2.1 石墨烯在超級電容器中的應(yīng)用

超級電容器是一種新型的可再生儲能器件，在新能源、儲能器件和電動型汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。超級電容器的特點為功率密度高、循環(huán)周期長、綠色無污染和廉價。石墨烯因其具有電導(dǎo)率高、結(jié)構(gòu)單一、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點，已經(jīng)成為超級電容器新型碳電極材料中的重要組成部分。

單層石墨烯的理論比電容可達(dá)到21mF/cm2，在理想條件下充分利用其比表面積，石墨烯會以雙電層電容的形式存在于超級電容器中，此時比電容高達(dá)550F/g。但是，石墨烯在自然條件下往往不會形成理想的雙電層電容，其容易出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象。因此，在實際應(yīng)用中很難達(dá)到其理論性能?？茖W(xué)家為了解決這一難題，通常將石墨烯和其他材料進(jìn)行復(fù)合，使其實際應(yīng)用效果更佳。如夏愛清等采用化學(xué)共價功能化法、物理非共價功能化法等方法制備了卟啉-氧化石墨烯類的復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)其具有很好的電化學(xué)性能和傳輸新能。另外科學(xué)家發(fā)現(xiàn)由石墨烯和聚苯胺復(fù)合形成的中空微球，其首次放電比電容高達(dá)752F/g，在lA/g條件循環(huán)500次后，仍然具有92%的初始電容量。近年來，科學(xué)家不僅僅滿足于石墨烯與其他材料形成的二元復(fù)合材料，由石墨烯與其他材料形成的三元復(fù)合電極材料的制備應(yīng)用而生。研究人員制備的石墨烯/聚苯胺/二氧化錳的三元復(fù)合材料，不僅具有很高的比電容（755F/g），且在循環(huán)1000次后仍保持了87%的電容量。

總之，石墨烯與其他材料形成二元/三元復(fù)合電極材料與單一的石墨烯材料相比具備優(yōu)良的電化學(xué)性能，其將會成為超級電容器電極材料的重要組分。

2.2 石墨烯在二次電池中的應(yīng)用

第一，石墨烯可作為鋰硫電池導(dǎo)電劑。鋰硫（Li-S）電池的特點為理論儲能密度高（2600Wh/kg），相較于目前市場上最新的鋰電池高出5～10倍，其在未來能量儲存系統(tǒng)中具有很大的優(yōu)勢。但是，由于硫原子和含硫化合物都是絕緣體，鋰硫電池在儲能應(yīng)用中很難保證長效循環(huán)。為了彌補這一缺陷，電池電極導(dǎo)電劑成為關(guān)鍵組分。石墨烯導(dǎo)電劑是目前鋰離子電池導(dǎo)電劑的最佳選擇。近年來，科學(xué)家利用石墨烯與不同的硫復(fù)合制備的新型材料不斷涌現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，將硫電極材料和石墨烯共同進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行復(fù)合，獲得的三維石墨烯/硫復(fù)合電極材料能夠很好的彌補鋰硫電池?zé)o法維持長效循環(huán)的缺陷。

第二，石墨烯可作為鈉離子電池的電極材料。相對于鋰離子電池，鈉離子電池具有價格低廉的優(yōu)勢。石墨烯由于具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、理想的比表面積以及良好的導(dǎo)電性，成為了鈉離子電池重要的電極材料。越來越多的報道顯示，石墨烯在鈉離子電池電極材料中具有明顯優(yōu)勢。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯比容量高達(dá)174.3mAh/g，經(jīng)過l000次循環(huán)后，比容量為141mAh/g。另外，研究人員制備的3D泡沫石墨烯復(fù)合材料，其含氮量為6.8%，比容量可達(dá)852.6mAh/g，經(jīng)過l50次循環(huán)后，比容量仍然具有69.70%。因此，石墨烯作為鈉離子電池的電極材料具有很好的可逆性和循環(huán)性。

3 結(jié)語

可再生能源的開發(fā)和利用是可持續(xù)發(fā)展的重要課題之一，儲能器件成為能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。石墨烯憑借自身化學(xué)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)單一、比表面積高以及無污染等特點成為超級電容器和二次電池的電極材料和導(dǎo)電劑。隨著儲能器件的不斷發(fā)展，石墨烯將成為安全、廉價、高效的儲能材料器件。

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