石墨烯纳米片结构调控与其电化学构效关系研究(2)
1 绪论
能源是推动社会进步的重要元素，而随着社会的发展进程，能源短缺问题日益严重。全世界消耗的能源大部分来自于煤、石油、天然气等化石燃料，而化石燃料是非可再生能源，对化石燃料的不断需求造成了能源危机，同时化石燃料的燃烧直接导致了温室气体含量的上升，导致大气层破坏等问题。能源结构迫切需要转向以可持续、可再生能源为主，因而能源危机推动了开发新能源的热潮。在开发新能源，诸如风能、太阳能、潮汐能、地热能等的同时，如何对能量进行有效的存储也成为了人们热切研究的方向。电化学电容器可以在几乎无限的循环次数下进行高充放电速率的充放电，其具有能量转换效率高，循环次数多，可以随意组合，对环境友好等优点[1]。
随着人们对于电容器的不断研究，电容器的能量存储效率正不断提高。目前，超级电容器成为了能量存储研究方向中的热门方向。超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置，它具有功率大，容量大，使用寿命长，免文护，经济环保等优点[2]。超级电容器在小型机械设备，智能表，电子门锁，太阳能警示灯等中已经成功应用，并且其已经成功试用于电动汽车以及混合动力汽车，说明超级电容器正开始试用于大型机械设备，走近我们的生活，而其也将通过优异的性能和良好的应用赢得人们的青睐。
电极是超级电容器的关键部分，因此，电极材料是确定电容器性能的关键因素。开发低阻抗、高比电容、高循环次数的稳定电极材料一直是科研工作者的研究热点。超级电容器的电极材料主要包含碳基材料，导电聚合物和过渡金属氧化物[3]。本论文正是基于对电极的研究，进行对石墨烯纳米片结构调控以改善其电性能。
1.1 超级电容器
1.1.1 超级电容器的概述
当今社会主要的电能储存器为电池和电化学电容器，而电化学电容器比电池出色的性能更受科研工作者的关注。超级电容器(super-capacitor)介于电池与传统电容器之间，是近几十年新发展起来的储能元件。电池内部发生电化学反应，其使用寿命不长，而传统电容器倚靠的是电极极化来储存和释放电能，其储能量小。与其不同的，超级电容器内部无电化学反应，而且电极比表面积很大，使其拥有功率大，储能容量大，循环次数多，环境友好等优点，从而受到各方的重视，其发展也尤为迅速[4]。
1.1.2 超级电容器的基本原理和分类
根据不同的储能机理，超级电容器可以分为双电层电容器以及法拉第赝电容器，赝电容又称为法拉第准电容。所谓的双电层电容器，即是在高比表面积的碳基材料电极与溶液的液界面处由电子、离子或偶极子通过库仑力、范德华力定向排列形成一个带电层，产生双电层电容。而所谓的法拉第赝电容器，则是在二文或准二文电极材料上，发生电吸附或氧化还原反应，电活性物质在贵金属上发生单分子层欠电势沉积，或者在多微孔的水合过渡金属氧化物、氧化物混合物上发生氧化、还原反应，形成与充点电位相关的赝电容[5]。
双层电容器的示意图如下图1.1所示
图1.1 双电层电容器工作示意图
1.1.3 超级电容器的特点
超级电容器能在能源储存中占据重要地位，由其优异的性能决定：
（1）稳定性极好，基本无漏电流。电压能长时间保持恒定；
（2）电容量极高，根据不同规格，其值在0.1-6000F不等。与传统电容器相比电容量大很多。相对于体积一样的电解电容器，超级电容器电容量是其2000~6000倍；
（3）功率密度极高，与电池相比较，可以提供更大的电流，但其放电时间较短，一般适用于对放电时间要求为10-2~102的器械。石墨烯负载MnO2之后，功率密度能高达5000W•kg-1[6]；
上一篇：多组分纳米复合乳胶粒子的凝聚复合