编辑: 飞鸟 2019-02-08
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20 - http://www.

ivypub.org/rms Research of Materials Science Volume 5, 2016, PP.20-31 Research Advances in Three Dimensional Graphene/ Transition Metal Oxide Composite in Supercapacitors Jianming Lv1 ;

Ruiguang Xing1 ;

Bangwen Zhang1 # 1. College of materials and metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China # Email: [email protected] Abstract As an intermediate energy storage devices between dielectric capacitors and batteries, supercapacitors have attracted intense attention mainly due to their unique properties such as high output power, long cycling stability, and fast charge/discharge capability. Three dimensional graphene (3DGN) is currently pursued as supercapacitor electrode because it can provide short diffusion pathways for electrolyte ions and fast transport channels for electrons, and act as an ideal scaffold for forming transition metal oxide to obtain a synergistic effect. This review aims to describe the different synthetic processes with respect to 3DGN. In particular, various compound processes of 3DGN and transition metal oxide are summarized. Finally, the superiorities and the challenges of the application of three dimensional grapheme / transition metal oxide in supercapacitors are presented in the end of the review. Keywords: Supercapacitors;

Three dimesional graphene;

Transition metal oxide 三维石墨烯/过渡金属氧化物超级电容器 复合材料的研究进展* 吕鉴名

1 ,邢瑞光

1 ,张邦文

1 1. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院,内蒙古 包头

014010 摘要:超级电容器是一种介于电介质电容器和电池之间的储能装置,它拥有强大的输出功率、长效的使用寿命以及快速 充放电能力,长期以来备受关注.作为一种新型超级电容器电极材料,三维石墨烯(3DGN)能够缩短电解质离子的扩散距 离,提供快速电子输运通道,并能充当骨架与过渡金属氧化物进行复合,实现两者的协同作用.本文介绍了三维石墨烯 的不同制备工艺,在此基础上,对三维石墨烯与过渡金属氧化物的复合工艺进行了进一步的总结.最后对三维石墨烯/过 渡金属氧化物在超级电容器应用中的优势及目前存在的问题进行了概括分析. 关键词:超级电容器;

三维石墨烯;

过渡金属氧化物 引言 最近,由于传统能源资源的枯竭以及温室效应的加剧,开发新型能源成为各国关注的焦点[1] .超级电容 器是一种新型的电能储存器件,它可以进行表面电荷的快速存储,拥有传统电容器超高功率特性,此外, 它的能量密度比普通电容器高出几个数量级,能够像电池那样长时间稳定地提供电能[2-3] .超级电容器主要 分为双电层电容器和赝电容器.双电层电容器的电极主要由碳材料组成,由于碳材料化学性质比较稳定, 因此双电层电容器的使用寿命比较长.赝电容器的电极材料主要包括过渡金属氧化物以及导电聚合物,这*基金资助:受国家自然科学基金(51164026)和内蒙古自然科学基金(2014BS0202)支持资助. -

21 - http://www.ivypub.org/rms 类物质的比电容较高,能够储存更多的电能[4-5] .但是赝电容材料在大功率条件下的储能效果较差,并且寿 命比较短. 目前,改善超级电容器电极材料性能主要依靠设计合成具有特殊形貌的纳米材料,这些材料的结构单 元包括纳米管[6-8] ,纳米线[9-10] ,纳米片层等[11-12] .这些形貌能够大大增加电极材料与电解质之间电荷交换 的界面面积,加速电解质离子的传质过程、实现快速充放电.在众多的纳米材料中,石墨烯受到材料领域 专家的广泛关注.它的比表面积大(理论上能达到 2630m2 /g)、化学性质稳定、导电性好.石墨烯结构如图 1(a)所示.然而石墨烯非常容易团聚,其比表面积高的优势受到了限制,导致石墨烯复合材料比电容的下降 [13-14] .针对石墨烯的团聚问题,材料学家们开发了一种具有一定形状、厚度的石墨烯,这种石墨烯内部充 满了层状石墨烯片层编织的孔洞,具有三维网状骨架结构,通常称为三维石墨烯(3DGN),其结构如图 1(b) 所示.这种泡沫材料不同于传统的粉末电极材料,即使没有粘结剂的参与,也能够与超级电容器其他部件 进行组装[15] ,避免了粘结剂对器件整体性能的不良影响.更为重要的是,由于 3DGN 具有多孔框架结构, 这种三维形貌能为电子传输提供多维通道,使电解质更加容易到达电极材料反应界面[16-17] ,加速充电过程. 单纯的 3DGN 同石墨烯一样,也是以双电层电容机理来储存电荷,这就意味着 3DGN 也存在着双电层电容 储能容量不高的问题.目前,增强碳材料储电能力的通用方法就是将其与赝电容材料进行复合.过渡金属 氧化物(MOx)是一类常见的赝电容材料,这类材料的能量密度比较高,其中包括 RuO

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