基于石墨烯的復(fù)合材料的制備及其在儲能器件中的應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯，一種由sp2雜化碳組成的六方晶格緊密排列而成的二維平面單分子層晶體材料，自其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)被發(fā)現(xiàn)以來，引起了全世界科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。由于石墨烯具有非常高的理論比表面積(2675 m2/g)，優(yōu)良的導(dǎo)電性和優(yōu)異的機械性能，因此它是一種理想的電極材料，在超級電容器、鋰離子電池等儲能領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。本論文主要從石墨烯材料出發(fā)，將石墨烯與其它電極活性材料通過摻雜、包覆等手段進行復(fù)合，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能等方面的改性，使得制備出的

2、復(fù)合材料在超級電容器、鋰離子電池中具有更好的電化學(xué)性能。本論文的研究內(nèi)容如下:
　　1.基于石墨烯三維多孔碳材料的制備及其在超級電容器中的性能研究。在這部分工作中，我們將很少量的氧化石墨烯（～4 wt％）與天然生物質(zhì)類的活性炭前驅(qū)體進行原位復(fù)合，通過簡單綠色環(huán)保的水熱炭化及活化兩步法制備出了三維石墨烯基多孔碳材料。所得材料的比表面積最高達到3355 m2/g，并且具有良好的導(dǎo)電性。這是由于:1）單層石墨烯片的插入，一方面阻止了純的

3、活性炭前驅(qū)體在水熱反應(yīng)中的聚集，同時與其交聯(lián)形成了三維多孔結(jié)構(gòu)，從而有利于后期在活化反應(yīng)中的造孔過程，使其比表面積大大提高，并且孔徑分布也由之前的微孔區(qū)（純活性炭體系）移動到了介孔區(qū);2）石墨烯作為良好的導(dǎo)電材料，在體系中可以形成很好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性。之后我們通過各種結(jié)構(gòu)和形貌表征探究了該三維石墨烯基多孔碳材料的本質(zhì)，它主要是由單層彎曲的具有缺陷的納米級石墨烯片所組成。隨后我們測試了這些復(fù)合材料在超級電容器中的電化學(xué)

4、性能。結(jié)果顯示，以該復(fù)合材料作為電極材料的超級電容器在有機電解液體系和離子液體體系中均體現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，其中最高比電容值可達216 F/g，能量密度高達92 Wh/kg，并且循環(huán)穩(wěn)定性能良好。
　　2.基于石墨烯的復(fù)合材料的高性能電化學(xué)混合電容器的設(shè)計與性能研究。我們知道，在新型高性能儲能器件中，超級電容器的功率密度高，充放電速度快，但是能量密度低;而鋰離子電池則相反，能量密度高，但功率密度低。因此在這部分工作中，我們設(shè)計了

5、一種基于石墨烯復(fù)合電極材料的超級電容器和鋰離子電池雜化的混合電容器，期望能利用超級電容器和鋰離子電池各自的優(yōu)點，同時獲得較高的功率密度和能量密度。首先我們通過簡單的水熱反應(yīng)和高溫處理制備出了Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料，作為混合電容器的負極材料。該復(fù)合材料顯示出很高的比容量（90 mA/g的電流密度下高達～1000 mAh/g），優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)性。隨后，我們采用具有高比表面積和高電導(dǎo)率的三維石墨烯基多孔碳材料作為混合電容器的正

6、極材料，并通過匹配正負極材料的質(zhì)量組裝了基于鋰離子電解液的混合電容器。由于石墨烯的引入，正負極材料的性能均有較大提高，因此該混合電容器具有超高的能量密度(147Wh/kg)和較高的功率密度(2587W/kg)，是目前所報道的同類混合電容器中性能最佳的器件。此外，它的器件能量密度與鉛酸電池和鎳氫電池相當(dāng)，并且功率密度也可達到傳統(tǒng)對稱超級電容器的級別。因此，混合電容器作為一種快速高效儲能器件在將來會有很好的應(yīng)用前景。
　　3.基于三維

7、石墨烯基多孔碳材料的疊層超級電容器的設(shè)計及性能研究。在這部分工作中，為了進一步提高超級電容器的工作電壓及能量密度，我們以具有優(yōu)異電容性能的三維石墨烯基多孔碳材料為電極材料，設(shè)計了內(nèi)部串聯(lián)的疊層超級電容器。我們通過將兩對單體電極內(nèi)部串聯(lián)在一起，使得整個超級電容器的工作電壓提高到7V;在能量密度方面，這種疊層超級電容器也由原來單體超級電容器的27.2 Wh/kg提高到36.3 Wh/kg，提高了～33％，并且是商用超級電容器能量密度的7倍。

8、同時該器件仍能保持較好的倍率性能和良好的循環(huán)性。此外，我們又進一步組裝了柔性的疊層超級電容器，其也具有類似的優(yōu)異的電化學(xué)性能，從而驗證了這種疊層結(jié)構(gòu)的普適性，具有很重要的意義。
　　4.石墨烯/二硫化鉬/聚苯胺三元復(fù)合材料的制備及其在鋰離子電池中的應(yīng)用研究。在這部分工作中，我們通過原位水熱制備的方法制備了石墨烯/MoS2/聚苯胺三元復(fù)合材料。通過形貌結(jié)構(gòu)分析我們發(fā)現(xiàn)，石墨烯、聚苯胺的加入改變了MoS2的結(jié)構(gòu)，形成了較為疏松的無定形