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不同储能器件的大致性能范围图
小型汽车具有巨大的市场。由于车用系统的空间有限且增加重量会增加能源消耗,决定了超级电容必须具有能量密度高、体积小的特点,因此提高其能量密度成为应用突破的关键。这就要求对目前商用产品进行升级换代。以目前市售的双电层电容器为例,大多数操作电压在2.7伏,使用活性炭为电极材料以及使用有机电解液,活性炭电极材料的电容小于200法/克,电容器件的能量密度小于6~7瓦˙时/千克(或瓦˙时/升)。
理论上,能量密度与电极材料的电容值成正比,与操作电压的平方成正比,这就决定了提高工作电压,是实现高能量密度的关键。事实上,手机电池与锂离子动力电池也都在努力提高工作电压。
而提高工作电压,除了需要更换化学稳定性更高的电解液,还需使用纯度更高的碳电极材料。一般而言,活性炭是由椰壳、杏壳、石油焦等炭化而得,可能含有金属杂质以及在活化处理过程被引入的氧、氮、磷等杂质杂质在水性电解液(1伏)下能够起氧化还原反应,贡献法拉弟赝电容。但在高电压下,这些杂质会导致电解液持续分解,使器件胀气导致内阻变大甚至破坏器件,必须清除。
同时,活性炭是“内凹”结构的微孔碳,,孔径大都小于0.7纳米。对于有机液体及离子液体等电解液来说,离子在活性炭内部的传输就像是在绕迷宫,会导致扩散阻力变大以及表面利用率变低。
而石墨烯是一种SP2杂化的碳,化学稳定性远高于以SP3杂化的活性炭。同时,石墨烯的表面全为“外凸”表面,十分有利于电解液的离子接近与吸附或脱附,实现快速的充放电过程。特别需要指出,石墨烯可用高纯度的烃类以化学气相沉积方法,在高温下裂解制备,在原理上既能保证大的比表面积,又能保证无金属掺入的高纯度,从而具备了众多的优异性能。
在电化学储能被纳入国家《可再生能源发展“十三五”规划》,超级电容器迫切需要提升品质的当下,石墨烯材料已经历了十余年的发展与认识,终于有了一个恰逢其时的好时机。
石墨烯的发展与进步
石墨烯的特性与部分应用示例
石墨烯是由英国曼彻斯特大学的科学家在2004年率先发现的。其一出现便引起了国际物理学界的轰动,但这完全不是因为其熟知的强度、导电、导热特性或储能特性,而是由于在此之前,物理学家根本不相信有二维平面原子级晶体的稳定存在。
当英国科学家用胶带粘着一块质量上好的石墨(大约是单层石墨烯的百万以上层级的宏观体),坚持不懈地一层一层地剥落,再剥落,直至得到厚度仅0.12纳米的碳原子单晶时,石墨烯展现出了声、光、电、力、热、磁等一系列优异特性,并且带动了其他原子级二维材料的制备与自组装技术的发展。
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