几种硫化物与石墨烯复合材料及其电化学性能研究(2)
1.1 超级电容器
1.1.1 超级电容器概述
超级电容器，也被称为双电层电容器、电化学电容器。由于其大功率容量，循环寿命长，快速的充电和放电速率等独特优势，而被应用于诸多领域。已经研究出的双金属复合电极也表现出了良好的倍率性能、比能量密度、功率密度和循环速率[3]。按照储能机理来分类，超级电容器可分为两大类：双电层电容器和法拉第准电容器。
在双电层电容器的电解液中，性质不同的两相界面间产生了正电荷与负电荷的分层[4]。普遍认为，在此界面间存在着两种作用力。一是两相中剩余电荷间的静电作用，另一种是电极与电解液中各粒子间的作用力[5]。为了形成稳定的双电层，对电极材料提出了两点要求：一是不与电解液发生化学反应，二是材料的导电性能优良。同时，为了使双电层能储存更多的电荷，对电极材料的还有一点要求：具有尽可能大的、能有效利用的表面积。
法拉第准电容的原理与普通电池类似，利用电极附近的表面活性物质欠电位沉积，然后产生氧化还原反应，以达到储能的效果。但与普通电池不同的是，法拉第准电容器的电极材料氧化还原反应是高度可逆的，可以承受成千上万次的充放电。法拉第准电容器存储电荷有两个途径：一是在双电层上储电，二是电解液中的离子在电极活性物质中由于发生氧化还原反应而储电。在相同比表面积的情况下，其比电容是双电层电容器的10～100倍[6]。
1.1.2 超级电容器现状
1.1.3 超级电容器应用
1.1.4 超级电容器前景
电子设备的应用越来越广，使用期限却越来越短，人们对其的要求更是逐年提高，这使得电子元件的生产要求也不断爬升。且由于世界经济不景气，许多产业面临能源、材料和环保成本的上涨，产品的售价一路下滑。整个电容器行业正受到双重压力，所以电容材料必须不断创新，才能跟上科技发展的脚步。
利用超级电容器的高倍率特性、高功率密度和快速充放电等特性，进一步优化它的应用，是现今的研究方向和重点。此外，在国家大力发展新能源的政策指导下，超级电容器正以其突出的特点发挥着重要作用[7]。
1.2 石墨烯及氧化石墨烯
1.2.1 石墨烯概述
石墨烯是一种新型碳纳米材料，由单层sp2杂化的碳原子紧密堆积而成，呈现出蜂窝状结构。自从2004年Geim 和Noveselov 等人[8]用机械剥离的方法，从三文石墨中提取出单层的石墨烯以来，由于其在多个领域所具备的潜在的优越性能，石墨烯及其复合材料已经吸引 了越来越多的关注。
最近的研究表明，石墨烯具有优异的电学、热学[9]、光学[10]和力学性能[11]，高的理论比表面积等一系列特殊的性质，它在结构上是单层石墨晶体，故其片层的两侧均可以负载电荷而形成双电层，且石墨烯特有的褶皱以及叠加效果有利于电解液的扩散，因此是电化学材料的理想基体。此外，石墨烯能有效地抑制充放电过程中硫化物的体积变化，且能在长时间的循环过程中保持材料的分散性，继而改善金属硫化物的电化学性能。由此可见，石墨烯基复合材料在超级电容器的应用方面拥有巨大的发展潜能和商业价值[12]。
1.2.2 石墨烯的化学改性
由于石墨烯表面的基团较少且片层间存在范德华力和静电作用力，使得石墨烯易发生自团聚现象。这极大的限制了它的应用，因此需要通过化学改性来修饰和改善。
化学改性可以分为两大类：（1）非共价改性：利用功能基团与石墨烯片层间的范德华力或静电力，得到有特定功能的复合材料[13]。这种方法能最大限度的保留石墨烯自身的特性，但改性后的材料稳定性较差。（2）共价改性：利用功能基团与石墨烯片层间的共价作用，得到稳定的复合材料[14]。但改性后的材料共轭结构被破坏，各方面性能受到一定的影响。
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