新型储能材料——石墨烯的储能特性及其前景展望.pdf

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1、新型储能材料——石墨烯的储能特性及其前景展望杨全红，唐致远作者简介：杨全红，男，1972年生，山西孝义人，博士，天津大学化工学院教授，博士生导师，中“新科院炭材料重点实验室客座教授，教育部世纪”“优秀人才入选者，英国碳素学会BrainKeUy”Award(2004)获得者，《炭素技术》和《电镀与精饰》编委。1994年和1999年分别于天津大学和中科院煤炭化学研究所获工学学士和工学博士学位；其后在中科院金属所、法国科研中心、日本东北大学和英国南安普顿大学光电中心工作0主要从事新型炭材料、纳米技术和新型电源材料等的研究，在(AdvancedMaterials)、{Jour

2、naloftheAmericanChemicalSociety)、{Naaok触e稿》、(ChemistryofMatedals》、(ChemicalPhysicalLetters)、(AppUedPhysicalL蜘》、{JournalofPhysicalChemistryB》、(Carbon)、(Nanotechuology)、《中国科学》和《科学通报》等国内外学术期刊发表学术论文近60篇，相关论文SCI引用近590次，其中他引530余次。撰写多篇综述文章及中英文论著章节。授权和申请发明专利8项。同作者：唐致远天津大学化工学院，天津300072能源和环境问题是目前

3、人类亟需解层石墨——石墨烯(graene)2004年被沿一定角度卷曲形成的圆筒状一维材ph，⋯——料；石墨烯片层相互作用决的两大问题。在化石能源日渐枯竭、环成功制备；独特的结构真正的表面、叠加，便形成了三维的体相石墨l2l境污染日益严重、全球气候变暖的今天，性固体f无孔、表面碳原子比例为100％。而作为无定形的多一孔碳质材料(活性炭寻求替代传统化石能源的可再生绿色能的超大表面材料)，使其成为下代碳质、活性炭纤维及炭气源、谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。电极材料的重要选择。凝胶等)则是由富含缺陷的微晶石墨炭新型的可再生能源，譬如风能和太阳能(厚度和尺度很小的三维石墨片层

4、结构)等的利用，电动汽车、混合动力电动车的相互作用形成。逐步市场化，各种便携式用电装置的快碳质材料是目前在绿色电源体系中一种元素碳是自然界广泛存在的，“”应用最广泛的电极材料之一二速发展，均需要高效、实用、绿色(零。锂离子具有多样性、特异性和广泛性的特点。碳污染、低污染)的能量储运体系。对于新次电池、超级电容器、太阳电池、燃料电：元素可以sp、sp、sp3三种杂化方式形成“”“池型的绿色储能器件，在关切其绿、储氢／甲烷等新能源领域，无处不有固体单质。。而sp杂化形成的碳质材料的”碳质材料的身影色的同时，高功率密度、高能量密度则。sp2杂化的碳质材料具基元结构是二维石墨

5、烯片层。如图1所是其是否可以真正替代传统能量储运体有石墨(或者尺度较小的微晶石墨)层状示，如果在六元环形成的石墨烯品格结系的重要指标。新型的电源体系，特别是构中存在五元环二次电池或者超级电容器是目前重要的的晶格，就会使石“”储能装置绿色。而其中核心部分是性墨烯片层翘曲，当能优异的储能材料。各种碳质材料，特别有12个以上五元是：sp杂化的碳质材料，由于其特殊的层环晶格存在时就状结构或者超大的比表面积，成为重要会形成零维的富◆的储能材料或者储能体系的电极材料。勒烯；碳纳米管可图1石墨烯的结构(左图)及由石墨烯为基本单元构筑的作为咿杂化碳质材料的基元结构的单。0以看作是石墨

6、烯sp杂化碳质材料(右图)2412009．4V01．33No，4结构或者由大量缺陷而形成的织构特征之一。股新的研究热潮——物理、化学、材料科(丰富孔隙)和大的比表面积，而成为重要(3)提高石墨烯片层结构完整性——低学家开始对石墨烯进行系统研究，各种的电极材料，这些材料主要包括：石墨材内阻和高导电特性极具魅力的奇特性质相继被发现，被预料、多孔炭材料以及碳纳米管等。结构少电极材料需要良好的导电特性，完整测很有可能会在很多领域引起革命性的缺陷的层状sp碳石墨材料是目前应用的石墨烯片层具有良好的导电特性。作为变化。目前，主要的石墨烯制备方法有机最为广泛的商用锂离子电池负极材料

7、；富电极材料的sp碳质材料应该具有良好械劈裂法_3_、外延晶体生长法[4-5]、化学气含缺陷的多孔碳质材料是目前超级电容的结构完整性。通过活化等方法营造孔相沉积法l6l、氧化石墨的热膨胀_7_和还原器的主要电极材料；而碳纳米管作为一种隙——缺陷，在提高碳质材料比表面的同方法l8】。还有其他一些制备方法也陆续被新颖的spz杂化碳质材料，又被预测将可时，导电特性变差。如何在提高比表面积开发出来，如气相等离子体生长技术[91，能广泛应用于染料敏化太阳电池中。的同时，不降低sp。碳的导电特性也是提静电沉积法_l0]和高温高压合成法⋯】等。不论商品化或者尚处于