氢氧化镍石墨烯复合物水凝胶制备及其性能研究(2)
对能源需求的不断增加和日益增长的空气污染以及全球变暖的关注已引起能量存储和替代能源的研究。超级电容器被视为是有希望用于储能的候选，因为它的高功率性能，循环寿命长，以及低成本。超级电容器对于那些需要短时间内提升功率的器件具有理想的效果，因此很适合提高超级电容器的能量密度来达到电池的要求，这可以使它们用作主要动力来源。赝电容材料，如氧化物，氢氧化物，和聚合物正在被探索用于生产高比电容和高能量密度的超级电容器。然而，由于它们依靠法拉第氧化还原反应，而活性物质通常是太绝缘而不能支持高速率下电子的快速传输，因此这种“赝电容器”往往导致倍率性能和可逆性能的下降[1]。
1．1 超级电容器
超级电容器（又称电化学电容器）是一种功率型的能源储存转换装置[2-3]，其性能位于传统电容器和二次电池之间，且兼具两者的优点，如能量密度高、功率密度高、可快速充放电、循环寿命长，并具有瞬时大电流放电和对环境无污染等特性，因此超级电容器具有广阔的应用前景。它涉及了材料、能源、化学、物理、电子器件等多个学科，成为交叉学科研究的热点之一。作为一种性能优异、绿色环保的新型储能器件，超级电容器在众多的领域有广泛的应用，包括军工、国防、科技，以及电动汽车、电脑、移动通信等民用领域，因而受到了世界各国，尤其是发达国家的高度重视。近几年来，我国科研人员和国家相关部门也对此极度关注[4]。
1.1.1 超级电容器分类
超级电容器按照其储能机理可以分为两类：法拉第准电容器和双电层电容器。
法拉第准电容器是在电极表面或电极体相中的二文或准二文空间上，电极上的活性物质进行欠电位沉积、发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应，产生与电极充放电电位有关的电容。其存储电荷的过程包括：双电层上电荷的存储、电解液中的离子在电极活性物质中发生氧化还原反应而将电荷存储在电极中。其充放电过程是：充电时，电解液中的离子（一般为H+或OH-）在外加电场的作用下由电解质溶液扩散到电极/电解液界面，而后通过界面发生的电化学反应进入到电极表面活性氧化物的体相中[5]。
双电层电容器是指在电化学溶液中性质不同的两相之间界面处，产生正电荷与负电荷的分布层，普遍认为在电极/电解液界面处存在着两种作用力：一种是电极与电解液两相中的剩余电荷所引起的静电作用；一种是电极与电解液中各粒子之间的作用[6]。充电的时候，电子通过外加电源作用从正极流向负极，同时，正负离子从溶液体相中分离并分别移动到电极的两个表面，形成双电层。
1.1.2 超级电容器的电极材料
超级电容器的性能与其使用的电解液、电极材料及其隔膜有关。其中电极材料的选择对于超级电容器的制备尤为重要。实际上，在超级电容器的研究过程中，关键的研究在于寻找具有高比能量、高比功率电容、较低的内阻、良好的导电性、适当的力学和化学稳定性以及容易形成法拉第准电容器或双电层准电容器的极化电极材料。
目前，超级电容器电极材料一般采用金属氧化物/氢氧化物、碳材料、导电聚合物以及各种掺杂复合物材料。
1.2 石墨烯
2004年，英国曼彻斯特大学物理学教授Geim等用一种极为简单的方法得到了单层的石墨烯晶体。此发现也丰富了整个碳系家族，零文的富勒烯，一文的碳纳米管，二文的石墨烯，三文的石墨以及金刚石。
很明显，单层的石墨烯是二文材料，而100层的石墨片被认为是三文的材料。研究表明，电子结构随着层数的变化发生明显的变化，当石墨层的层数少于10层时，就会表现出与三文石墨不同的电子结构。所以单层、双层、多层（3~10层）的石墨烯都被认为是二文晶体材料。
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