新型储能材料——石墨烯的储能特性及其前景展望.pdf

新型储能材料——石墨烯的储能特性
及其前景展望

杨全红，唐致远

作者简介：杨全红，男，1972年生，山西孝义

人工
，博士，天津大学化学院教授，博士生导师，中

“
科院炭材料重点实验室客座教授，教育部新世纪

”“
人入ran
优秀才选者，英国碳素学会BiKeUy

”
Award204
(0)获得者，《炭素技术》和《电镀与精

饰》编委。1994年和1999年分别于天津大学和中
科院煤炭化学研究所获工学学士和工学博士学

心
位；其后在中科院金属所、法国科研中、日本东

北大学和英国南安普顿大学光电中心工作0主要

从事新型炭材料、纳米技术和新型电源材料等的

vanceeasournaote
研究，在(AddMatril)、{Jlfh

manemaaa
AericChiclSociety)、{Nok触e稿》、

emistroeaemascl
(ChyfMatdls》、(ChiclPhyia

etterseaournao
L)、(AppUdPhysiclL蜘》、{Jlf

hsemrarbo
PyicalChistyB》、(Cn)、

anecu
(Nothology)、《中国科学》和《科学通报》等国内外学术期刊发表学术论文近60篇，相关论文SCI引用近590次，其中

他引530余次。撰写多篇综述文章及中英文论著章节。授权和申请发明专利8项。

工
同作者：唐致远天津大学化学院，天津300072

。
囝
——rahene2004一一
能源和环境问题是目前人类亟需解层石墨石墨烯(gp)，年被沿定角度卷曲形成的圆筒状维材∥∥
⋯——
。、、，
决的两大问题在化石能源日渐枯竭环成功制备；独特的结构真正的表面料；石墨烯片层相互作用叠加便形成麟。
100l2l
境污染日益严重、全球气候变暖的今天，性固体f无孔、表面碳原子比例为％了三维的体相石墨。而作为无定形的多

一
寻求替代传统化石能源的可再生绿色能的超大表面材料)，使其成为下代碳质孔碳质材料(活性炭、活性炭纤维及炭气器。攀
源、谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。电极材料的重要选择。凝胶等)则是由富含缺陷的微晶石墨炭》鬈豢辫
新型的可再生能源，譬如风能和太阳能(厚度和尺度很小的三维石墨片层结构)

等的利用，电动汽车、混合动力电动车的相互作用形成。

逐步市场化，各种便携式用电装置的快碳质材料是目前在绿色电源体系中
一
碳是自然界广泛存在的种元素，
“”
一二
速发展，均需要高效、实用、绿色(零应用最广泛的电极材料之。锂离子
具有多样性、特异性和广泛性的特点。碳

、运。、、、电
污染低污染)的能量储体系对于新：次电池超级电容器太阳电池燃料
sss
元素可以p、p、p3三种杂化方式形成
“”“

型，、／源，无处不有
的绿色储能器件在关切其绿。池储氢甲烷等新能领域
固体单质。而sp杂化形成的碳质材料的
”
s
色的同时，高功率密度、高能量密度则碳质材料的身影。p2杂化的碳质材料具
基元结构是二维石墨烯片层。如图1所
是其是否可以真正替代传统能量储运体有石墨(或者尺度较小的微晶石墨)层状

示，如果在六元环形成的石墨烯品格结

系的重要指标。新型的电源体系，特别是
构中存在五元环
二次电池或者超级电容器是目前重要的

的晶格，就会使石
“”
绿色储能装置。而其中核心部分是性

墨烯片层翘曲，当

能优异的储能材料。各种碳质材料，特别
有12个以上五元
：
是sp杂化的碳质材料，由于其特殊的层
环晶格存在时就

状结构或者超大的比表面积，成为重要
会形成零维的富
的储能材料或者储能体系的电极材料。◆
勒烯；碳纳米管可图1石墨烯的结构(左图)及由石墨烯为基本单元构筑的
作为咿杂化碳质材料的基元结构的单。0
以看作是石墨烯sp杂化碳质材料(右图)

2412009．4V01．33No，4
结构或者由大量缺陷而形成的织构特征之一。股新的研究热潮——物理、化学、材料科
(丰富孔隙)和大的比表面积，而成为重要(3)提高石墨烯片层结构完整性——低学家开始对石墨烯进行系统研究，各种
的电极材料，这些材料主要包括：石墨材内阻和高导电特性极具魅力的奇特性质相继被发现，被预
料、多孔炭材料以及碳纳米管等。结构少电极材料需要良好的导电特性，完整测很有可能会在很多领域引起革命性的
缺陷的层状sp碳石墨材料是目前应用的石墨烯片层具有良好的导电特性。作为变化。目前，主要的石墨烯制备方法有机
最为广泛的商用锂离子电池负极材料；富电极材料的sp碳质材料应该具有良好械劈裂法_3_、外延晶体生长法[4-5]、化学气
含缺陷的多孔碳质材料是目前超级电容的结构完整性。通过活化等方法营造孔相沉积法l6l、氧化石墨的热膨胀_7_和还原
器的主要电极材料；而碳纳米管作为一种隙——缺陷，在提高碳质材料