石墨烯在储能领域中的应用探讨
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摘 要：随着世界人口水平的逐年上升，能源危机日益明显，生态遭到恶化，开发可再生新能源迫在眉睫。为了充分开发利用可再生新能源，研制与其配套的储能装置是成为关键。电源和电容器是使用最普遍的储能装置，但存在持续性和放电功率小的问题。石墨烯是由sp2杂化的碳原子紧密堆积成的单原子层二维碳材料，因其具备良好的化学性质，已经在储能电池技术领域中得到了广泛应用。本文简述了近年石墨烯作为超级电容器导电剂材料、二次电池电极材料的应用现状，并对其发展前景进行了展望。
关键词：石墨烯；储能领域；应用
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.063
1 石墨烯简介
石墨烯是科学家最早发现的一种理想的单层二维碳质晶体。理想的石墨烯结构在空间上由碳原子以sp2杂化和正六边形的形式堆积而成，形成平面六边形点阵，其基本结理论比表面积为2600m2/g。碳原子在自然界中可以形成多种形态，石墨烯是其中较为简单的结构单元。由于单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度（0.335nm），所以更容易形成稳定的结构。目前，石墨烯的应用领域特别广泛，包括能源、电子、通信、生物科技和材料等各个领域。石墨烯除了有高理论比表面积外，还具备诸多独特的性质，包括热导率较高，为5000W/（m·K）；其杨氏模量较大，为1TPa。另外，石墨烯还具有较高的透光率（97.7%）和电子迁移率（2x 105cm2/V·S）。这些特殊的物理性质使其具有卓越的电荷储存性能，有望成为电池储能体系中重要的材料。
2 石墨烯在电池储能领域中的应用
众所周知，电化学储能领域能够广泛利用石墨烯的特性，并在短时间内达到规模生产，尤其是在超级电容器和电池领域。因此，将石墨烯应用于电化学储能领域受到了科技界和企业的共同关注。近年来，有关石墨烯在储能领域的技术不断产生，使得石墨烯能够发挥“导电”和“储能”的双重特性。值得关注的是，科学家将石墨烯与其他材料复合形成了二元和三元材料，具有很好的应用价值，有望实现规模化应用。
2.1 石墨烯在超级电容器中的应用
超级电容器是一种新型的可再生储能器件，在新能源、储能器件和电动型汽车等领域应用广泛。超级电容器的特点为功率密度高、循环周期长、绿色无污染和廉价。石墨烯因其具有电导率高、结构单一、化学性质稳定的优点，已经成为超级电容器新型碳电极材料中的重要组成部分。
单层石墨烯的理论比电容可达到21mF/cm2，在理想条件下充分利用其比表面积，石墨烯会以双电层电容的形式存在于超级电容器中，此时比电容高达550F/g。但是，石墨烯在自然条件下往往不会形成理想的双电层电容，其容易出现团聚的现象。因此，在实际应用中很难达到其理论性能。科学家为了解决这一难题，通常将石墨烯和其他材料进行复合，使其实际应用效果更佳。如夏爱清等采用化学共价功能化法、物理非共价功能化法等方法制备了卟啉-氧化石墨烯类的复合材料，发现其具有很好的电化学性能和传输新能。另外科学家发现由石墨烯和聚苯胺复合形成的中空微球，其首次放电比电容高达752F/g，在lA/g條件循环500次后，仍然具有92%的初始电容量。近年来，科学家不仅仅满足于石墨烯与其他材料形成的二元复合材料，由石墨烯与其他材料形成的三元复合电极材料的制备应用而生。研究人员制备的石墨烯/聚苯胺/二氧化锰的三元复合材料，不仅具有很高的比电容（755F/g），且在循环1000次后仍保持了87%的电容量。
总之，石墨烯与其他材料形成二元/三元复合电极材料与单一的石墨烯材料相比具备优良的电化学性能，其将会成为超级电容器电极材料的重要组分。
2.2 石墨烯在二次电池中的应用
第一，石墨烯可作为锂硫电池导电剂。锂硫（Li-S）电池的特点为理论储能密度高（2600Wh/kg），相较于目前市场上最新的锂电池高出5～10倍，其在未来能量储存系统中具有很大的优势。但是，由于硫原子和含硫化合物都是绝缘体，锂硫电池在储能应用中很难保证长效循环。为了弥补这一缺陷，电池电极导电剂成为关键组分。石墨烯导电剂是目前锂离子电池导电剂的最佳选择。近年来，科学家利用石墨烯与不同的硫复合制备的新型材料不断涌现。研究发现，将硫电极材料和石墨烯共同进行热化学反应进行复合，获得的三维石墨烯/硫复合电极材料能够很好的弥补锂硫电池无法维持长效循环的缺陷。
第二，石墨烯可作为钠离子电池的电极材料。相对于锂离子电池，钠离子电池具有价格低廉的优势。石墨烯由于具有稳定的化学性质、理想的比表面积以及良好的导电性，成为了钠离子电池重要的电极材料。越来越多的报道显示，石墨烯在钠离子电池电极材料中具有明显优势。科学家发现，石墨烯比容量高达174.3mAh/g，经过l000次循环后，比容量为141mAh/g。另外，研究人员制备的3D泡沫石墨烯复合材料，其含氮量为6.8%，比容量可达852.6mAh/g，经过l50次循环后，比容量仍然具有69.70%。因此，石墨烯作为钠离子电池的电极材料具有很好的可逆性和循环性。
3 结语
可再生能源的开发和利用是可持续发展的重要课题之一，储能器件成为能源战略中的重要组成部分。石墨烯凭借自身化学性能稳定、结构单一、比表面积高以及无污染等特点成为超级电容器和二次电池的电极材料和导电剂。随着储能器件的不断发展，石墨烯将成为安全、廉价、高效的储能材料器件。
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