石墨烯作为超级电容器

超级电容器在电子领域是一种有价值的商品，它可以储存比标准电容器多100多倍的能量。超级电容器也能在低温条件下工作，并经常被用来代替电化学电池。

超电容材料的主要特性之一是能够形成双电层。这在电双层电容器(EDLC)超级电容器中是必不可少的。超级电容器的工作原理是通过极化在电极-电解质界面积聚电荷，从而储存能量。活性炭一直是传统的电极选择，但它无法在高压下工作。

石墨烯及其衍生物具有高比表面积、高导电性、开孔结构、生产潜力和低成本等优点；所有这些都是超级电容器的理想性能。

石墨烯-金属氧化物复合电极

金属氧化物石墨烯电极图

石墨烯氧化钼电极

与标准电容电极相比，石墨烯和金属氧化物复合电极提供了一个电容增加的新领域。常见的金属氧化物有 ZnO2, SnO2, Co3O4 和 MnO2。

二氧化锰石墨烯复合材料是最有前途的，因为锰离子可以采用可变的氧化态。III态和IV态之间的氧化还原反应涉及到电解质溶液中金属离子的插入(如Li+、Na+)，这有助于能量的储存。

除了高效离子插层外，石墨烯薄片还产生了一个大表面积的导电网络，这有助于进一步促进离子与电极之间的相互作用。石墨烯-钼复合材料的比电容为310Fg-1，是纯石墨烯或金属氧化物电极的三倍。使用石墨烯-钼复合材料2000次循环后，比电容的95.6%仍可保持。

如前所述，超级电容器目前在某些应用中比电化学电池更受青睐。然而，使用超级电容器的一个问题是能量密度较低。石墨烯被加入到超级电容器的负极中，以增加能量密度，同时保持较高的功率密度。以石墨烯为负极，纳米线-石墨烯复合材料为正极的超级电容器已被开发出来。该电容器的设置是不对称的，在工作电压为2v时，其高能密度为30.4 Whkg-1。

石墨烯超级电容器在能量密度和功率密度方面均优于其他电容器，在超级电容器领域具有广阔的应用前景。

Graphene-Polymer复合电极

石墨烯-聚合物复合电极

虽然石墨烯-聚合物复合材料与其他石墨烯基复合材料相比不具有高导电性，但它们具有高的充放电率、柔韧性和高的掺杂性能。石墨烯-聚合物复合材料是通过n和p掺杂的氧化还原反应来进行的，在这种反应中，电子丢失/获得来转换和储存能量。

氧化石墨烯和含氮聚合物是制造石墨烯-聚合物电极复合材料的最佳材料。官能团的聚合促进了复合材料两组分之间的强pi-pi相互作用，这导致了较大的表面积和半柔性结构，可以在循环充放电过程中发生机械变形。这些石墨烯-聚合物复合材料可以显示高达531 Fg-1和保留高达74%的电容后，2000循环。

Graphene-CNT电极

和锂离子电池一样，碳纳米管被用来增加不同单分子层之间的石墨烯间距。与单层石墨烯相比，多层石墨烯电极的表面积会减小。通过在电极中引入纳米管，提高了电极的纳米孔和电导率。

纳米管可用于石墨烯基体的二维或三维结构，其平均比电容分别为120 Fg-1和386 Fg-1。在三维石墨烯-碳纳米管中，经过2000次循环后，电容甚至可以增加20%，表明这些电极具有良好的电化学稳定性。

石墨烯的燃料电池

燃料电池内部情况

燃料电池不同于电池和电容器，因为它们产生电能而不是储存电能。许多燃料电池含有一种铂基催化剂，这种催化剂的生产成本非常高。为了使燃料电池的成本降到最低，铂催化剂的载体是碳同素异位体。

石墨烯就是这样一种催化剂载体。氧化石墨烯具有良好的分散性、较大的表面积和较高的导电性(降低时)，因此，将石墨烯整合到燃料电池使用的复合材料中，可以提高设备的完整性和效率。

石墨烯被用在一些燃料电池中，以帮助促进甲醇的氧化。人们发现，石墨烯比碳纳米管和炭黑等其他碳同素异形体更有效。石墨烯的二维薄片为电子/离子运输提供了更大的活性表面积，因为薄片的两面都暴露在燃料电池内的溶液中。

石墨烯表面的均匀性还可以防止聚集，促进铂颗粒在支架上的均匀分布。石墨烯结构的表面缺陷也增加了石墨烯载体与铂颗粒之间的相互作用。铂-石墨烯支撑的燃料电池的电流密度可达0.12 mA cm-2，至少是其他碳基支撑的三倍。

经过氮等离子体处理后，石墨烯可与氮掺杂。掺杂石墨烯表面有氮基官能团，这使得铂纳米颗粒具有更好的分散和装饰效果。与未掺杂的石墨烯相比，掺杂石墨烯具有更高的导电性和电催化活性。掺杂石墨烯的氧化电流是未掺杂石墨烯的两倍。

石墨烯-硫锂电池

石墨烯-硫杂化剂的制备- G/S杂化剂是由氧化石墨烯与溶硫CS2和醇溶液的水热还原组装而成。简而言之，将50毫升氧化石墨烯水分散体和15毫升酒精混合，然后加入3毫升含有100、150和200毫克溶解硫的CS2(调整样品中的硫含量)到氧化石墨烯分散体中。混合搅拌了90分钟,然后密封在一个80毫升Teflon-lined不锈钢高压釜在180 C为热液反应10 h。G / S的黑色缸水凝胶由乙醇和蒸馏水清洗,然后湿水凝胶是冷冻干燥得到G / S混合物。

石墨烯-硫杂化(粉体)- G/S杂化(粉体)的制备方法与G/S杂化(粉体)相同的水热条件下，将90 mg的插层-去角质石墨烯与150 mg的热去角质还原石墨烯混合，制备成G/S杂化(粉体)。G/Smix是在相同条件下，不含CS2的情况下，将- 50 mL的氧化石墨烯(GO)水分散体、15 mL的酒精和150 mg的硫混合制成的。

将G/S杂化物切割、压缩并成形为直径为12mm的圆形球团，直接用作阴极。G/S电极的质量负荷约为2mg cm2。G S59 G S60混合(粉)阴极是由混合90 wt % G S59或G S60混合(粉)与10 wt %聚偏二氟乙烯溶解在N-methyl-2-pyrrolidone粘合剂形成泥浆,涂在铝箔和干在70 C真空下12 h。箔压双辊之间,形成一个圆形颗粒直径12毫米,和作为阴极。电解质是1.0 M锂双三氟甲烷磺酰亚胺在1,3-二氧杂环己烷和1,2-二甲氧基乙烷(1:1的体积)与0.5 wt %的LiNO3添加剂。

下面是另外三种石墨烯电极DOE

为了制作一个纯石墨烯电极，将石墨烯氧化物粉末(100 mg)分散在蒸馏水(30 mL)中，超声30分钟。将悬浮液放在热板上加热至100°C，并加入水合肼(3ml)。将悬浮液在98°C下保持24小时，将氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯。还原后的氧化石墨烯可通过过滤收集，留下黑色粉末。用蒸馏水将过滤后的粉末洗几次，以去除多余的联氨。通过超声波将石墨烯粉末重新分散到水中。将溶液离心(4000转/分，3分钟)以去除较大的颗粒。通过真空过滤收集石墨烯并在真空中干燥。如果您购买了rGO，则可以跳过此步骤。

为了制作电极，将石墨烯分散在乙醇中，直到达到0.2 mgmL-1的浓度。用真空过滤法过滤悬浮液，收集在微孔滤纸上。将过滤后的石墨烯切成1 x 2平方厘米(1 mg重量)，即可使用。将其与电解液缓冲液连接到电池上，测试石墨烯电极。

第二种方法详细介绍了用于锂离子电池电极的钴-石墨烯混合电极的制备。制备电极时，将氧化石墨烯(0.1 g)加入醋酸钴(350 mg)和去离子水(400 mL)中。解决方案添加摘要(3800µL)和肼(250µL)和搅拌4 h在100°C。反应结束后过滤溶液。200℃加热6小时，使溶液重新结晶。

最后一种方法是制造用于锂离子电池的锡-石墨烯纳米带复合电极。为了制作电极，加入石墨烯纳米带(GNR) (75 mg)， SnCl2。H2O (1.33g, 5.89 mmol)， 2-吡咯烷酮(65 mL)和一个磁搅拌器棒到一个干燥的圆底烧瓶。将溶液超声20分钟，然后回流1小时。将容器冷却至室温，在露天环境中超声过夜。三次淬火用丙酮和水的混合物,在聚四氟乙烯膜过滤(0.45µm)。在真空(60℃)中干燥24小时，在石英炉(500°C, Ar气氛)中退火2h。理论产量为380毫克。

石墨烯产品

等离子体剥离石墨烯纳米薄片图

石墨烯纳米薄片(GNPs)为电池应用提供了一些最佳性能。GNPs可用于替代其他碳基材料。GNPs具有良好的导电性和导热性，机械稳定性好，可提供导电性增强、机械强度增强、透气性降低的复合材料。

石墨烯纳米薄片是由等离子体剥离产生的。等离子去角质工艺可以生产出高品质的gnp，其缺陷更少，内部导电性更高。石墨烯纳米粒子由多个石墨烯层组成，厚度一般在3- 10nm之间，在高剪切条件下(如3辊轧机或均质机)易碎。gnp具有不同的功能基团，包括氮基、氧基、氟和胺基。非功能化的GNPs(氩处理过的)也可用。生产方法是可伸缩的，因此gnp可以在大容量和更大规模的应用程序中实现。

氧化石墨烯(以及还原氧化石墨烯)可作为粉末、分散体或自旋涂膜使用。Cheaptubes氧化石墨烯的元素组成包括35-42%的碳、45-55%的氧和3-5%的氢。

分散剂可以在不同的溶剂和浓度范围内使用。石墨烯氧化膜由单层石墨烯氧化产物自旋涂覆在玻璃上，最终厚度为5-20纳米。他们还拥有一个电导率的范围104-105 Sm-1,与101-103 Ωsq-1的薄层电阻。

CVD石墨烯薄膜

石墨烯薄膜可以在硅、铜、PET和石英等多种基底上生长。如果它们与用于将石墨烯从基板上浮起的溶剂兼容，那么它们也可以转移到客户提供的各种基板上，这样石墨烯就可以重新沉积到基板上。作为石墨烯的替代品，可以使用导电碳纳米管复合添加剂。为提高锂离子电极效率而设计。作为碳纳米管和炭黑的混合物，经过多次充放电循环后，它可以提高电极的tap密度(最高可达10%)和电容保持能力，而不会降低。该添加剂含有多壁碳纳米管与专用炭黑混合。这种添加剂可用于电池的正极和负极。通常2-3 wt%用于阴极，1-2 wt%用于阳极。

结论

以石墨烯为基础的电池在效率方面正迅速变得可与传统固态电池相比。石墨烯存在于电极中的额外好处是有用的，即使效率不高。对于具有类似效率的电池来说，石墨烯电池是一个理想的选择，这就是为什么科学家们正试图进一步推动这类电池的发展。它们已经开始在商业市场上获得吸引力，用不了多久它们就会成为标准并逐步淘汰固态电池。

引用最近的预测:“到2022年，全球石墨烯电池市场预计将达到1.15亿美元，在预测期间的复合年增长率为38.4%。”据估计，汽车工业将在整个分析期间主导市场。在地理上，欧洲有望成为2016年的主要市场，收入贡献约38%。”

随着全球能源需求的不断增长，改善储能设备同时减少与消费者电池使用相关的负面环境影响是一个崇高的目标，也是强调支持的目标。希望本文能帮助您了解当前石墨烯电池的研究趋势，并启发您开始石墨烯电池的开发。