石墨烯制造影响超级电容器电极的适用性

在最近发表在《 Journal of Energy Storage》上的一项研究中，提出了四种截然不同的简单且具有成本效益的生产工艺，用于产生适合超级电容器的高堆积密度石墨烯纳米结构。

研究：采用不同方法制备的石墨烯，用于具有超高体积电容的超级电容器。图片来源：Production Perig/Shutterstock.com

可靠功率器件的重要性

化石资源即将丧失，以及对高能系统的需求，是世界性的主要问题。储能设备是上述问题的关键答案，必须具有可运输性、燃油效率且生态友好。

然而，开发具有成本效益、免维护、功能性和环保的储能技术正变得越来越困难。这些特性旨在满足对瞬态发电机、混合动力电动汽车、便携式小工具和机床日益增长的需求。因此，基于具有改进的性能/能量密度的超级电容器的可靠功率器件的开发已成为研究的关键课题。

双电层电容器（EDLC）和表面氧化还原工艺是超级电容器中广泛使用的两种电力存储技术。碳基材料，如碳纳米管（CNTs）和活性炭（AC），通常用于双电层电容器电极，因为它们具有高耐用性但具有有限的吸收性能。

由于双电层电容器的功能是表面现象，因此充放电过程的有效性主要取决于电解质的自由体积。

电解质不能穿透石墨烯片的小孔，因此在这些孔中不会形成双层。这些结果导致活性炭的电阻值降低。为了增加其电感，它必须具有宽表面积，优异的导电性，高化学和物理稳定性以及最佳的纳米颗粒。

典型的石墨烯制造方法

一些常见的石墨烯制造方法包括化学气相沉积（CVD），石墨在极性溶剂中的合成磨皮和氧化石墨烯（GO）的急剧下降。

通过石墨的剥落和表面的生长来生产高质量的石墨;但是，对于大规模生产是不切实际的。

化学气相沉积产生的石墨烯具有增强的性能，由于其单层结构，最小的缺陷和大晶体域，这对于提高电子应用中的载流子浓度至关重要。然而，由于其生产成本高且产量有限，化学气相沉积工艺产生的石墨烯不适合超级电容器。

应该解决具有成本效益的石墨烯合成大规模生产策略。在这方面，最有效和低成本的程序包括电磨损和氧化石墨烯成graphene氧化物，然后控制好氧化石墨烯减少到石墨烯。

为什么使用电解剥落

石墨烯分子片通常由表面的环氧基团和酚醛环氧化合物以及边界处的羧基单元组成。这些角落上的电离酸化合物有助于通过弱范德华力稳定石墨烯作为水系统中的薄层。

这种高程度的水溶出率为剩余的石墨烯基产品提供了可行的策略。由于其方便，成本低廉，效率高，碳材料的电解剥落是制造石墨烯的可行方法。

可以使用阳极将有利或不利的电荷施加到石墨烯的表面，从而促进带相反电荷的离子的掺入并加速磨损。

使用合适的离子和溶剂环境，已经开发出阴极和阳极去角质方法。因为它可以在液体电解质中传导，例如H₂所以₄而其无机材料，阳极磨损比电催化磨损更常被利用。

取得的成果

利用电磨、水热法还原、改进的多元醇技术和气体衰减等多种方法制备了4种高致密密度石墨试样。评估了它们作为超级电容器衬底的效率，首先利用XRD，FTIR和拉曼分析来验证样品收集的准确性，然后使用TEM和SEM来评估它们的形状。

电化学去角质（GE）和溶剂热还原（GS）样品具有最大的质谱（体积）场强，为400和300 F g^-1，以及相应的稳定性特性。

相反，氢气氧化产生的石墨烯具有最小的电容。这些宏观阻抗是迄今为止电解质溶液中碳化合物记录的最大值之一。此外，采用双电极技术对GE产品进行了分析，电极电容值非常适中。

经过3000次循环后，GE电极显示由于氧基团的影响，电容降低了11%。这些结果表明，生产技术以及石墨烯形状对于改善电性能至关重要。

参考

Elsherif, S. A., Ibrahim, M. A., and Ghany, N. A. (2022). Graphene fabricated by different approaches for supercapacitors with ultrahigh volumetric capacitance. Journal of Energy Storage. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X22003097?via%3Dihub