石墨烯三元复合水凝胶的制备及电化学性能研究(2)
超级电容器又被叫做黄金电容器，它具有理想的高功率密度、快的充放电速率、优良的循环稳定性和低文护成本、绿色环保无污染等特点，这些优点使它成为最有希望的新一代储能设备[2]。然而，现有的超级电容器的能量存储密度是有限的，并且，相同质量的情况下比电池低。目前，为了其能更广泛的应用，重中之重就是要增加超级电容器的能量密度。通常情况下，科研人员们提高电容器的能量密度的最主要的途径就是改善电极材料。碳材料通常被用作不对称超级电容器的阳极，但是碳材料的低比电容严重地限制了超级电容器的能量密度。然而，石墨烯因具有较大的比表面积和良好的导电性等特点，被认为是良好的电极材料[3]。同时，有报道指出，一些金属氧化物，金属氢氧化物是碳基材料电极表面双电层电容的10~100倍。 本毕业设计以石墨烯和金属氢氧化物为研究对象，通过一步水热合成法制备氢氧化镍/氢氧化钴/石墨烯水凝胶三元复合材料，对复合体系的结构进行表征研究并研究其电化学性能。
1.2 超级电容器
1.2.1 概述
超级电容器又称电化学电容器、双电层电容器等，可以通过极化电解质来进行能源的储存及转换。它是一种介于传统电容器与电池之间、不同于传统的化学电源，兼有二者的特性，即可同时拥有高的能量密度、功率密度以及更长的循环寿命[4]。
1.2.2 分类
参照电容器的储能机理，超级电容器可以分为双电层电容器、法拉第准电容器两类。 双电层电容器是充放电时溶液中形成双电层稳定的一种电容器。法拉第准电容器是在电极表面处发生高度可逆的化学吸脱附以及氧化还原反应，并产生相应的电容。
1.2.3 应用
超级电容器的主要应用领域：(1) 可再生能源；(2) 电动汽车等运输行业；(3) 国防及航空航天；(4) 瞬时功率脉冲应用；(5) 中微型超级电容器；(6) 军事装备领域[5]。
1.2.4 电极材料
电极材料是影响超级电容器的性能和生产成本的最重要的因素。电极材料主要分为三类：碳素材料电极，金属氧化物/金属氢氧化物电极，导电聚合物电极。
碳素材料比表面积大，导电性好，但是比电容相对较小。金属氧化物/氢氧化物具有高的比电容，但是导电性能差、电势窗口窄。导电聚合物电极可以通过设计聚合物的结构来增加比电容，因此具有较大比电容，但也具有电阻较大等缺点[6]。为了提高超级电容器的能量密度，可通过提高电极材料的比电容或者拓宽电势窗口来实现。因此，若想充当超级电容器的电极材料，需具备下几个特点：大的比表面积、合适的孔分布、低的传输电阻、高的电化学稳定性和机械稳定性常。
1.3 石墨烯
1.3.1 石墨烯的概述
自从2004年英国Geim教授等发现石墨烯以来，石墨烯就得到了科学家们的广泛关注，并在全世界掀起了石墨烯材料制备、研究的狂潮。从那时起石墨烯便成了科学界里的所有材料“明星”中最耀眼的一颗。
石墨烯是碳家族里的新成员，它是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成吹冰边形蜂窝状的平面薄膜，即单原子层的二文材料，结构非常稳定[7]。其具有优异的物理和化学性质、较大的表面积和较低的制备成本，具有非常广泛的应用前景，产业化应用已经不再遥远。