Untersuchung von Graphen-Kompositen in Superkondensatoren

Abstract: Seit der Entdeckung von Graphen im Jahr 2004 war die Forschung an Graphen-Verbundwerkstoffen heiß. Dieser Artikel gibt einen Überblick über den Forschungsfortschritt von Polyanilin / Graphen- und Mangandioxid-Graphen-Verbundwerkstoffen in Elektrodenmaterialien von Superkondensatoren und freut sich auf die zukünftige Anwendung dieser Materialien in Elektrodenmaterialien von Superkondensatoren.

Xingruiguang; Liyanan

(Rare Earth College, Universität für Wissenschaft und Technologie der Inneren Mongolei, Baotou 014010)

Kohlenstoff ist in der Natur weit verbreitet. Neben dem bekanntesten Graphit und Diamant erweiterten die 1985 entdeckten Fullerene und 1991 entdeckten Kohlenstoffnanoröhren die Familie der Kohlenstoffmaterialien. Es gibt den Menschen auch ein tieferes Verständnis für die Vielfalt des Kohlenstoffs. Gleichzeitig hat die durch Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren induzierte Nanotechnologie eine große Bedeutung für die zukünftige Entwicklung der menschlichen Gesellschaft. Als jüngstes Mitglied des Kohlenstoffmaterials ist Graphen ein zweidimensionaler Kohlenstoffatomkristall mit einer SP2-Hybridbahn. Es wurde 2004 von Geim von der University of Manchester in Großbritannien entdeckt und kann stabil sein. Dies ist derzeit das dünnste Material der Welt mit einatomiger Dicke. Graphen hat nicht nur hervorragende elektrische Eigenschaften (Elektronenmobilität bis zu 200000 cm2V-1s-1 bei Raumtemperatur), leichte Masse, gute Wärmeleitfähigkeit (5000 Wm-1K-1), größer als die Oberfläche (2630 m2g-1) Der Elastizitätsmodul (1100 GPa) und die Bruchfestigkeit (125 GPa) sind ebenfalls mit Kohlenstoffnanoröhren vergleichbar und weisen einige einzigartige Eigenschaften auf, wie z. B. den Quanten-Hall-Effekt, den Quantentunneleffekt usw. Aufgrund der oben genannten einzigartigen Nanostrukturen und der hervorragenden Leistung kann Graphen auf viele fortschrittliche Materialien und Vorrichtungen wie Dünnschichtmaterialien, Energiespeichermaterialien, Flüssigkristallmaterialien und mechanische Resonatoren aufgebracht werden. Graphen ist eine einzelne Graphitschicht, und die Rohstoffe sind leicht zu erhalten, daher ist es billig und nicht so teuer wie Kohlenstoffnanoröhren. Daher wird erwartet, dass Graphen Kohlenstoffnanoröhren als hochwertige Füllungen für Kohlenstoffnanokomposite auf Polymerbasis ersetzt. Unter den vielen Eigenschaften von Graphen ist die spezifische Oberfläche hoch und die Leitfähigkeit gut. Das Wichtigste ist, dass die Kapazität von Graphen selbst 21 μF / cm2 beträgt, was die Obergrenze aller elektrischen Doppelschichtkondensatoren auf Kohlenstoffbasis erreicht, die höher ist als bei anderen Kohlenstoffmaterialien. Es ist ein ideales Material zur Herstellung von Superkondensatoren.

Superkondensatoren, auch als elektrochemische Kondensatoren bekannt, sind neuartige Energiespeichervorrichtungen mit einer Energiedichte und Leistungsdichte zwischen herkömmlichen Kondensatoren und Batterien. Superkondensatoren kombinieren die Vorteile von Batterien und herkömmlichen Kondensatoren. Wie hohe Energiedichte, hohe Leistungsdichte, schnelles Laden und Entladen, lange Lebensdauer, sofortige Entladung mit hohem Strom und keine Umweltverschmutzung und andere Eigenschaften, ist es eine neue Art von Energiespeicher- und Energieeinsparungsgeräten, die in der Vergangenheit entwickelt wurden Dekade.

Da Graphen ein ideales Füllmaterial für Superkondensatoren ist, ist es von großer Bedeutung, Superkondensatormaterialien durch Compoundieren mit anderen Materialien herzustellen.

Es gibt zwei Haupttypen von Verbundwerkstoffen. Das erste ist das Komposit aus Graphen mit leitfähigen Polymermaterialien, von denen Graphen- und Polyanilin-Komposite am besten untersucht werden. Die zweite ist die Verbindung von Graphen mit Metalloxiden, von denen Graphen- und Mangandioxid-Verbundstoffe am meisten untersucht werden. Dieses Papier gibt eine kurze Zusammenfassung der Forschung zu diesen beiden Arten von Verbundwerkstoffen.

Graphen- und Polyanilin-Verbundwerkstoffe werden in Superkondensatormaterialien verwendet. Zusätzlich zu den oben erwähnten besonderen Eigenschaften von Graphen hat Polyanilin die Vorteile einer hohen Leitfähigkeit, einer einfachen Synthese und niedriger Monomerkosten. Zhao et al. hergestellte Polyanilin / Graphen-Komposite unter Verwendung von In-situ-Polymerisation unter sauren Bedingungen. Es wurde gefunden, dass Polyanilin gleichmäßig an der Oberfläche von Graphen adsorbiert oder gleichmäßig zwischen Graphenschichten verteilt war. Wenn die Stromdichte 0,1 A / g betrug, war die Kapazität so hoch wie 480 F / g und sie hat eine gute Zirkulation.

Li et al. in situ anodische Elektropolymerisationen auf Graphenschichten unter Bildung von Polyanilin durchgeführt. Der erhaltene Verbundstoff hatte eine Zugfestigkeit von 12,6 MPa und eine hohe und stabile elektrochemische Kapazität (gewichtsspezifisches Volumen 233 F / g, volumenspezifisches Volumen 135 F / cm3), die viele andere derzeit verfügbare flexible Elektroden auf Kohlenstoffbasis übertrifft und daher aufweist vielversprechend bei flexiblen Superkondensatoren.

Shi et al. kombinierte zuerst chemisch modifiziertes Graphen mit Polyanilinfasern, um eine stabile Mischung zu bilden, und erhielt dann Dünnschichtverbundstoffe aus Graphen / Polyanilinfasern durch Vakuumfiltration, wobei Polyanilinfasern gleichmäßig zwischen Graphenzwischenschichten verteilt waren. Das Verbundmaterial hat stabile mechanische Eigenschaften und eine hohe Flexibilität und kann sich in einem großen Winkel biegen, um die gewünschte Form zu erhalten. Wenn der modifizierte Graphengehalt 44% beträgt, ist die Kapazität mit 210 F / g am größten.

Yan et al. berichteten, dass das Verbundpapier aus Polyanilin und Graphen durch eine einfache und schnelle Mischung von Lösungen und in situ Polymerisation erhalten wurde. Dieser Verbundwerkstoff hat gute elektrische Eigenschaften. Es ist erwähnenswert, dass dieses Verbundpapier im biologischen Bereich liegt. Möglicher Anwendungswert. Wei et al. kombinierte funktionelles Graphen mit Polyanilin-Nanopartikeln, um einen 1046F / g-Kondensator zu erhalten, der fast doppelt so hoch ist wie bei reinen Polyanilin-Materialien.

Die zweite ist die Verbindung von Graphen und Metalloxiden, von denen die am meisten untersuchte das Verbundmaterial aus Graphen und Mangandioxid ist. Wei et al. gemischtes Kaliumpermanganat mit Graphen, reduziertes Kaliumpermanganat zu Mangandioxid durch Mikrowellenstrahlung und reduziertes Mangandioxid wurden auf der Oberfläche von Graphen abgeschieden. Ein solches Verbundmaterial wurde als Anode verwendet, und Aktivkohle wurde als Kathode verwendet, um einen Kondensator zu erhalten. 114F / g,

Die Anzahl der Zyklen kann das 1000-fache erreichen, um einen Superkondensator zu erhalten. Yang et al. erhielt ein mehrschichtiges Polydiallyldimethylammoniumchlorid-modifiziertes Komposit aus Monetit und Mangandioxid durch Selbstorganisationsverfahren mit höherer Kapazität und höheren Zykluszeiten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Graphen-Verbundwerkstoffe angesichts des kontinuierlichen Fortschritts der Gesellschaft, des kontinuierlichen Ressourcenverbrauchs und der kontinuierlichen Entwicklung der Wirtschaft im künftigen elektronischen Bereich sicherlich eine äußerst wichtige Rolle spielen werden.

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