石墨烯基复合电极材料的制备与锂离子杂化超级电容器应用探究

来源 :南开大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiachengpu
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1.石墨烯基复合物在能量存储器件材料中一直扮演着非常重要的角色。在这里,我们报导了一个实用性强且绿色环保的合成石墨烯/钛酸锂复合电极材料的路线。溶剂热和热处理反应保证了钛酸锂颗粒和氧化石墨烯表面和边缘处官能团的紧密接触,由此钛酸锂颗粒可以均一的分散在氧化石墨烯片层之间。复合材料这种特殊的结构形貌也为其带来了协同效能,比如钛酸锂颗粒可以被看做石墨烯片层之间的分隔物,有效的减少了石墨烯片与片之间的团聚,由此带来的石墨烯的有效比表面积的增加使得复合材料获得了较高的比容量数值。相似的,石墨烯以导电网络形式贯穿钛酸锂颗粒中,这样的结构不仅有效的阻止了钛酸锂纳米颗粒之间的团聚,并且为钛酸锂颗粒的负载提供了导电基体。复合材料的形貌为电子和离子的传输提供了有效的路径,使电极材料的倍率性能得到很大的提升。值得注意的是在低倍率下,复合材料展示出了高于纯的钛酸锂颗粒175 mAh/g的理论比容量。比如,在0.3、0.5和1C下,复合材料的比容量数值分别为207、190和176 mAh/g。除了增强的比容量数值外,复合材料还表现出非常好的倍率性能。和1C下放电比容量相比,当倍率增加到5C和10C时,复合材料仍能够具有88.8%和82.1%的比容量保持率。由于以上这些优异的电化学性能使得石墨烯/钛酸锂复合材料成为非常有前途的锂离子电池负极材料。  2.为了满足当今高速运转的社会对能量的需求,杂化能量体系得到越来越广泛的关注。杂化器件被期待能够同时具有电池高能量密度和超级电容器高功率密度的优点,既在尽可能高的提高器件的能量密度的同时,最小限度的牺牲器件的功率密度。毫无疑问寻求优异的电极材料始终是实现杂化能量器件组装的首要问题。为了匹配优异性能的电池型石墨烯/钛酸锂复合材料,我们通过简单易行的方法又合成了超级电容器型的石墨烯/蔗糖复合电极材料。石墨烯/蔗糖复合材料展示出3355 m2/g高的比表面积和增强的电导性。这些性能都是优异的杂化电容器型电极材料必需具备的。在此基础上我们分别以石墨烯/钛酸锂和石墨烯/蔗糖电极材料为正负极合成了石墨烯基锂离子杂化超级电容器。优化后的杂化器件工作电压范围在0-3 V,0.4 C(2.5 h)下能量密度达95 Wh/kg,当放电倍率提升到100 C(36 s)时,仍能够保持32 Wh/kg高的能量密度。以上的数值强有力的说明了锂离子杂化超级电容器确实能够弥补传统双电层超级电容器能量密度不足的缺点,与此同时提升电池的功率密度。另外一点值得关注的实事就是,向这些能量存储电极材料中少量的添加石墨烯制备得到的复合电极材料的电化学性能都得到了极大的提升。我们相信随着石墨烯这样新型且优异性能材料的出现,杂化器件最终必定能够满足当今社会对能量的新要求。
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