(完整版)石墨电极

石墨电极

石墨电极(graphite electrode)

以石油焦、沥青焦为颗粒料，煤沥青为黏结剂，经过}昆捏、成型、焙烧、石墨化和机械加工而制成的一种耐高温的石墨质导电材料。石墨电极是电炉炼钢的重要高温导电材料，通过石墨电极向电炉输入电能，利用电极端部和炉料之间引发电弧产生的高温为热源，使炉料熔化进行炼钢，其他一些电冶炼或电解设备也常使用石墨电极为导电材料。2000年全世界消耗石墨电极100万t左右，中国2000年消耗石墨电极25万t左右。利用石墨电极优良的物理化学性能，在其他工业部门中也有广泛的用途，以生产石墨电极为主要品种的炭素制品工业已经成为当代原材料工业的重要组成部门。

简史早在1810年汉佛莱?戴维(Humphry Davy)利用木炭制成通电后能产生电弧的炭质电极，开辟了使用炭素材料作为高温导电电极的广阔前景，1846年斯泰特(Stair)和爱德华(Edwards)用焦炭粉及蔗糖混合后加压成型，并在高温下焙烧从而制造出另一种炭质电极，再将这种炭质电极浸在浓糖水中以提高其体积密度，他们获得了生产这种电极的专利权。1877年美国克利夫兰(Cleveland)的勃洛希(C.F.Brush)和劳伦斯(https://www.sodocs.net/doc/4f616868.html,wrence)采用煅烧过的石油焦研制低灰分的炭质电极获得成功。1899年普利查德(O.G.Pritchard)首先报道了用锡兰天然石墨为原料制造天然石墨电极的方法。1896年卡斯特纳(H.Y.Gastner)获得了使用电力将炭质电极直接通电加热到高温，而生产出比天然石墨电极使用性能更好的人造石墨电极的专利权。1897年美国金刚砂公司(Carborundum Co.)的艾奇逊(E.G.Acheson)在生产金刚砂的电阻炉中制造了第一批以石油焦为原料的人造石墨电极，产品规格为22mm×32m mX380mm，这种人造石墨电极当时用于电化学工业生产烧碱，在此基础上设计的“艾奇逊”石墨化炉将由石油焦生产的炭质电极及少量电阻料(冶

金焦粒)构成“炉芯电阻”，通电后产生高温，使由石油焦制成的炭质电极在高温下“石墨化”而获得人造石墨电极。19世纪末法国人埃鲁(P.L.T.Heroult)发明了直接电弧炉，开始用于冶炼电石和铁合金生产，1899年首次用于炼钢，电弧炉需要一定数量耐高温的导电电极。虽然1900年前后艾奇逊石墨公司(Acheson Graphite Co.)就出售可连接的电极，但这时只能生产小规格石墨电极，20世纪初期电炉炼钢主要使用以无烟煤为原料的炭质电极或以天然石墨为原料的天然石墨电极。生产炭质电极或天然石墨电极的工艺比较简单，1910年已经向市场供应直径达610mm的炭质电极。但是石墨电极的优良性能以及制造工艺的不断改进，大规格石墨电极的大批量生产及售价不断下降，电炉炼钢工业逐渐改用石墨电极，使用炭质电极或天然石墨电极逐渐减少，20世纪60年代以后绝大多数电弧炼钢炉都使用石墨电极。1914～1918年制成的石墨电极最大直径只有356mm，1924年开始生产直径为406mm的石墨电极，1930年已扩大到457mm，1937年又增加到508mm，不久又生产了直径559mm、610mm、660mm、711mm、762mm的大规格石墨电极。20世纪80年代世界上最大的电弧炼钢炉使用的石墨电极直径为813mm。第二次世界大战以后生产石墨电极的原料质量、设备和制造工艺不断改进，随着电炉炼钢输入电功率不断提高的需要，于20世纪60～70年代又研制成功了高功率及超高功率石墨电极。由于石墨电极质量不断提高及电炉炼钢工艺的改进，每吨电炉钢的石墨电极消耗已由70年代的6～8kg降低到80年代的4～6kg(普通功率电炉)，采用超高功率石墨电极的大型电炉每吨钢的电极消耗已降低到2.5kg左右，而超高功率直流电弧炉(只用1根石墨电极)每吨钢的石墨电极消耗可降低到1.5kg左右。80年代末世界上工业发达国家电炉炼钢工业多数电炉的吨位已提高到80～200t，因此大量使用的是直径550～750mm的高功率或超高功率石墨电极。

品种根据所用原料的不同和成品物理化学指标的区别，石墨电极分为普通功率石墨电极(RP级)，高功率石墨电极(HP级)和超高功率石墨电极(UHP级)3个品种。这是因为石墨电极主要供电弧炼钢炉作为导电材料使用，20世纪80年代国际

电炉炼钢工业把电弧炼钢炉按每吨炉容量的变压器输入功率大小分为3类：普通功率电炉(RP炉)、高功率电炉(HP炉)和超高功率电炉(UHP炉)。20t以上的普通功率电炉每吨炉容量的变压器输入功率一般为300kW/t左右；高功率电炉为400kW/t 左右；把40t以下的电炉输入功率500～600kW/t、50～80t的电炉输入功率400～500kW/t、100t以上的电炉输入功率350～450kW/t称为超高功率电炉。到了20世纪80年代末，经济发达国家大量淘汰50t以下的中小型普通功率电炉，新建的电炉多数是80～150t的超高功率大电炉，并将输入的电功率提高到800kW/t，90年代初期一部分超高功率电炉又进一步提高到1000～1200kW/t。高功率和超高功率电炉使用的石墨电极在更加苛刻的条件下运行，由于通过电极的电流密度明显增大，结果产生下列问题：(1)因电阻热和炽热气流导致电极温度升高，使得电极及接头的热膨胀量都增加了，同时电极的氧化消耗也提高了。(2)电极中心部位和电极外圆的温度差增大了，由温度差引起的热应力也相应提高，电极容易产生裂纹和表面剥落。(3)增大了电磁作用力，引起剧烈的振动，在剧烈振动下，电极因连接松动、脱扣而导致折断的几率增多了。因此高功率和超高功率石墨电极的物理机械性能必须优于普通功率石墨电极，如电阻率较低，体积密度较大及机械强度较高，热膨胀系数要小，有良好的抗热震性能。表1列出了20世纪80年代末期3种不同功率电弧炼钢炉的通用标准系列和配用的石墨电极直径。为了适应炼钢厂大量发展高功率及超高功率电炉的需要，80年代起欧美、日本的炭素厂主要生产两种质量标准的石墨电极，即高功率石墨电极和超高功率石墨电极，普通功率石墨电极因销路不大而很少生产。

直流电弧炉用石墨电极直流电弧炉是20世纪80年代初发展成熟的新型电炉炼钢设备，初期的直流电弧炉是在原来的交流电弧炉基础上改造而成，有的使用3根石墨电极，有的使用2根石墨电极，但80年代中期以后新设计的直流电弧炉多数只用1根石墨电极，与相同功率使用3根石墨电极的交流电弧炉相比，在高温下受到氧化的电极总表面积大大减少，同样以超高功率运行的直流电弧炉，每吨钢的

石墨电极的消耗可以降低50％左右，直流电弧炉电流通过电极时不产生趋肤效应及邻近效应，在电极横截面上电流分布均匀，而且直流电弧的稳定性好，运行中机械振动较小，电炉的噪声也较低。直流电弧炉配用石墨电极的直径也是根据电炉容量和电极允许电流密度计算出来的，对相同输入功率的超高功率电炉而言，使用1根石墨电极的直流炉，电极直径要大一些，如容量为150t的交流电弧炉使用直径600mm的电极，而相同容量的直流电弧炉要使用直径700～750mm的电极，直流电弧炉对石墨电极的质量要求比交流电弧炉使用的还要高一些。

质量指标衡量石墨电极质量的主要指标有电阻率、体积密度、机械强度、线

膨胀系数、弹性模量等，石墨电极在使用中的抗氧化性与抗热震性都与以上几项指标有关，产品机械加工的精确度和连接的可靠性也是重要检测项目。

电阻率石墨电极的电阻率是一项重要的物理性能指标，通常用电压降法测量，电阻率的大小可以衡量石墨电极石墨化度的高低，石墨电极的电阻率越低其热导率越高，抗氧化性能越好。石墨电极使用时的允许电流密度与其电阻率及电极直径有关，石墨电极的电阻率越低，允许电流密度相应提高，但允许电流密度和电极直径的大小成反比，这是因为电极直径越大，电极横截面内中心部位与表层的温差增大，由此产生热应力的提高将引起电极产生裂纹或表面剥落，所以电流密度的增加受到限制。图1列出了电极直径、允许电流密度与电极品种之间的关系。

体积密度增加体积密度有利于降低孔隙率和提高机械强度，改善抗氧化性能，但如果太大则抗热震性能下降，为此需要采取其他措施弥补这一不足，如提高石墨化温度以增加电极的热导率和采用针状焦为原料降低成品的热膨胀系数。

机械强度石墨电极的机械强度分为抗压、抗折和抗拉3种，主要测定抗折强度，抗折强度是石墨电极在使用时与折断有关的性能指标，在电炉上，当电极和不导电物体接触时，或由于受到塌料的碰撞、强烈振动的破坏作用等原因，石墨电极经常有被折断的危险，抗折强度高的石墨电极不容易被折断。数根电极串接成电极柱使用时，连接处受到很大的拉力，所以对接头最好规定抗拉强度指标。

弹性模量是反映材料刚度的一个指标，通常石墨电极只测定杨氏弹性模量(纵弹性模量)，即材料受到压缩或拉伸时产生单位弹性变形需要的应力，石墨电极的弹性模量与其抗热震性直接有关，石墨电极的弹性模量与其体积密度成正比，并且弹性模量随温度上升而增加。

抗热震性石墨电极的抗热震性表示在温度急剧变化时抵抗热应力破坏的能力，用以下公式表示：

R=(κ×S)/(α×E)

式中R为抗热震性；S为抗拉强度，MPa；κ为热导率，W/(m?K)；α为线膨胀系数，1/℃；E为弹性模量，MPa。

从上式可以看到石墨电极的抗拉强度越高和弹性模量越低，其抗热震性能越好，另一方面石墨电极的热导率越小、热膨胀系数越大则抗热震性越差，电极在温度急剧变化时产生龟裂、表面剥落的可能性越多。

线膨胀系数一般只测定沿电极轴向的线膨胀系数，石墨电极的线膨胀系数与采用原料有关，也与配方的粒度组成、石墨化温度等因素有关。线膨胀系数小的石墨电极，抗热震性能比较好，所以生产超高功率石墨电极应选用线膨胀系数较低的针状焦为原料，并且石墨化温度应该达到2800～3000℃。石墨电极的线膨胀系数与测定温度范围有关，中国标准测定温度范围为100～600℃，有些国家的炭素厂对石墨电极的线膨胀系数测定温度范围比较低，有的是20～100℃，有的是30～130℃，因此同样产品在不同温度范围内测定的线膨胀系数不能直接比较。

石墨电极质量的优劣取决于原料性能、工艺技术、管理和生产装备4个方面，

极的生产周期需70天以上。而需要多次浸渍的接头生产周期更长。(2)能源消耗较高，1t普通功率石墨电极需消耗电力6000kW?h左右，煤气或天然气数千立方米，冶金焦粒及冶金焦粉(二次能源)约1t。(3)生产石墨电极工序多，需要许多专用机械设备和特殊结构的窑炉，建设投资较大、投资回收期较长。(4)石墨电极生产过程产生一定数量的粉尘和有害气体，因此需要采取完善的通风降尘及消除有害气体的环境保护措施。

工艺流程生产石墨电极的工艺流程如图2所示，几个主要生产工序如下：(1)煅烧。石油焦或沥青焦都需要进行煅烧，煅烧温度应达到1300℃，以充分除去原料中挥发分，提高焦炭的真密度及导电性。(2)破碎、筛分及配料。将煅烧过的原料破碎及筛分成指定尺寸的骨料颗粒，一部分原料磨成细粉，按照配方称量后集聚组成各种颗粒的混合料。(3)混捏。在加热状态下将定量的各种颗粒的混合料与定量的黏结剂混均、捏合成可塑性糊料。(4)成型。在外加压力作用下(模压成型或挤压成型)或振动作用下(振动成型)将糊料压制成具有一定形状及较高密度的生坯。(5)焙烧。将生坯置于专门设计的高温炉中，生坯用填充料(焦粉或河砂)覆盖，逐步升温至900～1100℃左右，使黏结剂炭化，从而获得焙烧品。(6)浸渍。为了提高产品的体积密度和机械强度，焙烧品装入高压釜中，将液体浸渍剂压入焙烧品的孔隙中，浸渍后应进行再次焙烧，为了得到高密度及高强度的接头坯料，浸渍需要重复进行2～3次。(7)石墨化。将焙烧品装入石墨化炉内(需用保温料覆盖)，用直接通电的加热方法，使焙烧品转化为石墨晶质结构，从而获得人造石墨电极所需要的物理化学性能。(8)机械加工。按照使用要求，对石墨化后的毛坯进行表面车削、端面加工及连接用的螺孔的加工，另外再加工用于连接的接头。(9)检验合格后进行包装即为成品。

其他类别的电炉炼钢用导电电极

抗氧化涂层石墨电极减少电极外圆表面的氧化损失是降低电极消耗的有效途径，石墨电极的抗氧化涂层工艺各国都进行过大量的研究工作，如在电极表面涂一层抗氧化材料或将电极在特殊的溶液中浸渍，目前已经被许多工厂所采用的抗氧化涂层工艺是铝和耐火物料在电极表面的“交替喷涂–烧熔法”，这种工艺方法的要点是：先在石墨电极外圆表面加工一些浅沟，再将电极置于加热炉内加热到250℃左右，然后用金属喷枪在电极表面喷一薄层铝，再在铝层外面喷一层耐火泥浆，最后用电弧产生的高温使铝和耐火泥浆烧熔在一起，形成既能导电又能抗高温氧化的金属陶瓷层，为了使涂层达到一定厚度，喷铝及喷耐火泥浆和随之进行的电弧烧熔要反复2～3次，这种抗氧化涂层的性能可达到如下要求：

(1)电阻率为0.07～0.1μΩ?m。

(2)在900℃下气体不渗透的延续时间超过50h。

(3)涂层分解温度在1850℃以上。

实际使用结果，带有抗氧化涂层的石墨电极与同样质量但没有抗氧化涂层的石墨电极比较，可降低每吨电炉钢的电极净耗20％～30％，并可降低每吨钢的电耗5％左右，增加抗氧化涂层所需费用大约是石墨电极销售价格的10％左右。电炉钢厂使用抗氧化涂层电极要对炼钢炉的夹持电极的夹持器进行改造，适当放大夹持器的直径，再在其内侧镶嵌数块加工成弧形的石墨垫，使带有抗氧化涂层的石墨电极通过石墨垫导入电流，如抗氧化涂层直接与夹持器接触，则在接触面上易产生火花而烧坏夹持器。

水冷复合石墨电极这是石墨电极与特制的一段钢管接合后使用的导电电极(图3)，水冷复合电极上段是一根不消耗的无缝钢管，约占复合电极总长度的1/3，钢管为双层、内部通水冷却，下段为石墨电极通过一个水冷却的金属接头与上段钢管连接。水冷钢管外表面光滑，和电极夹持器接触良好，由于石墨电极接在水冷却钢管的下面，所以连接电极必须将整根钢管连带电极从炉中拔出，送到一个专门的装配站连接新电极，特殊设计的快装式软管保证迅速接通或断开水路，以防止产生蒸汽或因过热而损坏上段水冷钢管。1980年加拿大埃得蒙顿(Edmonton)电炉钢厂在一台容量为80t的高功率电炉上试用水冷复合电极(直径为450mm的高功率石墨电极)，经两年多实践统计，每吨钢的电极消耗降低了20.9％(从每吨钢消耗电极5.69kg下降到4.5kg)。水冷复合电极所以能节约石墨电极消耗的主要原因是大幅度减少了暴露在空气中石墨电极的外表面积，大约可减少45％左右，但是连接电极的操作比较麻烦，对电炉的生产效率有一定影响，所以到20世纪80年代末还没有普遍推广。

空心石墨电极空心石墨电极是中空的电极(一般石墨电极都是实心的)，生产这种产品是在电极成型时直接压制成中空的管子形状，以后的生产工序与生产一般电极的过程相同，空心石墨电极可以节省原料，在冶炼过程中减少吊装电极的重量，利用电极的中空区形成的通道加入炼钢时所需的合金料及其他材料，或从

中空通道向炉内输入不同用途的气体，空心石墨电极虽有不少优点，但对电极制造厂来说生产空心石墨电极挤压工艺复杂、原料节约有限而成品率低，因此空心石墨电极没有得到广泛应用。

天然石墨电极天然石墨电极是以天然石墨为主要原料生产的电极，电炉炼钢最初使用炭质电极(以无烟煤、冶金焦为原料)和天然石墨电极，天然石墨是一种导电性很好的非金属矿物，经过精选的天然石墨其灰分含量可以降低到5％以下甚至更低，天然石墨加上煤沥青经过混捏、成型、焙烧和机械加工即可制得天然石墨电极，其电阻率一般为15～20μΩ?m，比用石油焦为原料的人造石墨电极的电阻率高出1倍左右，而且其抗拉、抗折强度较低，在使用中容易折断，所以20世纪60年代以后已经很少生产和使用天然石墨电极。

使用性能与消耗机理石墨电极主要作为电弧炼钢炉的导电材料，因此考核石墨电极的使用性能着重看炼钢过程中石墨电极的消耗，每吨电炉钢的石墨电极消耗量主要与电极本身质量有关，也与炼钢操作(如冶炼钢种、废钢是否经过切割加工、吹氧时间)关系很大。石墨电极在电炉炼钢中的消耗可分解为4部分：电极端部消耗电极端部消耗包括电弧高温引起的升华以及电极端部与钢水及炉渣化学反应的损失，电极端部的高温升华速率(kg/h)主要取决于通过电极的电流密度，其次与电极端部氧化后的直径大小(形成锥体)有关。

电极与钢水及炉渣在一定温度下发生如下化学反应：

Fe

2O

3

+3C→2Fe+3CO

3Fe+C→Fe

3

C

CaO+3C→CaC

2

+CO

电炉炼钢过程中在熔化或形成泡沫渣的阶段，部分熔融状态的炉渣喷溅到电极表面，这种富氧炉渣与电极的反应速度是比较快的。电极端部的消耗还与是否用电极插入钢水增碳有关。

电极外圆表面的氧化损失石墨电极的化学成分主要是碳，碳在一定条件下与空气、水蒸气、二氧化碳会发生如下化学反应(反应的速率依当时炉膛内的温度和气氛性质而定)：

xC+yO→C

x O y

2C+O

2

→2CO

C+CO

2

→2CO

C+H

2O→CO+H

2

C十2H

2O→CO

2

+2H

2

电极外圆表面的氧化损失是单位氧化速率(kg/m2?h)和暴露面积的乘积。近年来为了提高电炉冶炼速度，多采用吹氧操作，导致电极的氧化损失增加。一般情况下，电极外圆表面的氧化损失要占总消耗的一半左右。(图4)在冶炼过程中电极逐渐被氧化成锥形，假设电极未氧化时直径为D，电极下端部氧化后直径为d，则电极外圆表面的氧化损失显然与d/D的大小成比例，d/D越小，说明电极外圆表面氧化快；d/D越大，说明外圆表面氧化比较缓慢。在炼钢过程中经常观察电极的锥度是衡量电极抗氧化能力的直观方法。

电极或接头的残体损失电极连续使用到上下两根电极连接处的一小段电极或接头(即残体)容易掉落而增加消耗，这种残体损失与接头形状有关，圆柱形接头几乎不可避免地都有残体损失，圆锥形接头基本可不产生残体损失，造成残体损失的其他原因还有残体上有裂纹或残体因振动、撞击而掉落。

电极折断、表面剥落及掉块的损失这一部分损失统称为机械损失(区别于上述以氧化为主的化学反应损失)，电炉钢厂一般将以氧化及高温下升华等不可避免的电极消耗称为“净耗”，“净耗”加上折断等机械损失和残体损失称为“毛耗”，机械损失的主要内容及产生原因举例于表3所示。

基于石墨烯负极赝电容正极的超级电容器电极材料制备及性能研究

基于石墨烯负极赝电容正极的超级电容器电极材料制备及性能 研究 超级电容器的能量密度E与其比电容cm成正比,而与其工作电压u的二次方成正比(E=1/2CmU2。因此，提高工作电压是提高超级电容器能量密度的有效途径。 利用储能电位范围不同的正、负极材料组装非对称型超级电容器,可有效提高工作电压, 进而提高能量密度。本文研究了氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO) 的水热还原, 构建了三维分布还原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide, rGO), 研究了 Ni(0H)2纳米片阵列和NiO多孔纳米片阵列的制备。 利用X-射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)研究了GO勺还原，利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了产物形貌,利用X-射线衍射(XRD)研究了产物晶体结构。利用循环伏安(CV)扫描、恒电流充放电、电化学交流阻抗(EIS)等技术研究了产物的超电容性能。 以rGO为负极、分别以Ni(OH)2纳米片阵列和NiO多孔纳米片阵列为正极, 组装了非对称模拟超级电容器，并研究其性能。首先将GO分散于具有三维结构的泡沫镍(NF)基底上,然后对其进行水热还原,制备分布于三维NF基底上的还原氧化石墨烯(NF/rGO)。 XPS和Ramar光谱研究结果表明,水热还原可有效去除GO上的含氧官能团, 并对其结构缺陷有一定的修复作用。TEM和SEME测结果表明,rGO形成很薄的片层,呈现出透明褶皱结构,NF/rGO上的rGO紧密附着于基底上形成三维分布,这有利于rGO与电解液充分接触而发挥储能性能。 NF/rGO的CV曲线具有双电层电极材料典型的矩形,其恒电流充电与放电曲 线基本成线性、且相互对称。在NF/rGO的交流阻抗波特图上，低频区的相位角接近

石墨烯基材料做电极材料的机遇与挑战

石墨烯基材料做电极材料的机遇与挑战近年来,高性能电化学储能装置的需求量大幅上升,于是很多学者都开始投入到对更卓 越电极材料的开发和研究中。在这方面，石墨烯基材料吸引了大量目光。由于能提升现有设备性能，并使下一代设备更实用，石墨烯基材料被看作是前景深远的高性能电极材料。 碳材料广泛应用于不同的储能设备，并发挥着非常重要的作用。然而，由于多孔碳材料和纳米碳材料密度低，高碳含量电极的存储密度也总是很低，因而造成体积能量密度低。 尽管石墨烯也面临同样问题，甚至情况更严重，但经过石墨烯和电极结构设计的可控组合，还是可以得到高密度石墨烯基电极。此外，在许多情况下，组装的集成石墨烯基电极不含任何导电剂和粘结剂，因此能进一步帮助提升体积能量密度。

作为电化学储能装置的潜在电极材料，石墨烯具有许多其他传统碳材料和纳米碳材料所没有的优越性。石墨烯物理结构稳定、比表面积大、导电性良好，对大多数电化学储能装置来说，它几乎是一种完美材料。 此外，石墨烯的输出性能也取得了很多令人瞩目的进步：利用二维层状结构能构建出各种三维结构，还具备可调节的孔隙结构。我们在论文中综述了石墨烯基材料在液态锂离子电池、锂硫电池、锂氧电池、NIB和SC等方面的应用。我们研究发现，将石墨烯应用于这些装置，能大大提高其性能。 石墨烯的几个显著优势如下： 1.石墨烯在实际应用于非碳材料时，是一种有利的碳基材。它应用容易，比表面积大，使得在其表面实现其他活性成分的杂交和均匀散布更加容易，这也极大提高了这些成分的利用率。此外，利用石墨烯在两个活性粒子甚至是整个电极间构建互联的导电网络也是轻而易举。这样的网络有助于提高电极的循环稳定性。 2.通过在装置中使用石墨烯代替传统碳材料，能实现高体积能量密度。石墨烯为高体积能量密度装置的组装提供了潜在解决方案。 3.柔性石墨烯有望制造柔性储能装置。使用石墨烯及其组件可以制备出具有高度柔韧性的集流体，为我们提供了一种取代脆性金属集流体的方法。此外，利用石墨烯还能制备出集成柔性电极，有助于解决在反复弯曲过程中集流体活性材料分离的问题。 除了以上几点，石墨烯相较于传统碳材料还具有多种优越性能，可能有助于促进各种新型电池系统的实际应用。新近研究报告指出，高能室温钠硫电池通过碳/硫复合材料作为电极。我们可以预料，石墨烯可以进一步帮助提升这类电池的性能。还有研究发现，石墨烯基复合材料可作为锌空气电池的高效电催化剂。在种种结果之上，我们不难看出，石墨烯在未来能源储存装置应用中的巨大潜力。

石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用

石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用石墨烯(Graphene)是一种仅由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格的平面薄膜，亦即只有一个碳原子厚度的二维材料。相比其他炭材料如碳纳米管，石墨烯具有独特的微观结构，这使得石墨烯具有较大的比表面积和蜂窝状空穴结构，具有较高的储锂能力。此外，材料本身具有良好的化学稳定性、高电子迁移率以及优异的力学性能，使其作为电极材料具有突出优势。与碳纳米管类似，纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差等缺陷并不能取代目前商用的炭材料直接用作锂离子电池负极材料。随着制备技术的发展，通过控制石墨烯片层间的间距，防止固体电介质层的形成大量消耗锂离子，并合理平衡缺陷结构与“死锂”的产生也许是石墨烯材料进一步向实用化材料发展的方向之一。 1.硅-石墨烯基复合材料在锂电池负极材料中的应用 石墨烯也是对硅负极进行改性的重要骨架材料。它能够提供自由空间来缓冲充放电过程中的体积效应，保证脱嵌锂过程中材料结构的完整性；同时，石墨烯片层间能形成稳定的导电网络，从而提高电极的储锂性能。Lee等将纳米硅颗粒高度分散在石墨烯薄片上，然后进行热处理还原得到硅-石墨烯复合材料，电化学测试表明，该复合材料经过50个循环后，容量大于2200mA·h/g，200个循环后容量大于1500mA·h/g，每个循环的衰减率小于0.5%。该复合材料优异的电化学性能得益于纳米硅颗粒均匀分散在柔韧的石墨烯层间，不仅改善了硅的电子电导，而且有效缓冲了硅的体积效应。 高鹏飞通过喷雾干燥技术将二维的石墨烯加工成具有三维结构的导电网络，同时将纳米硅粉包裹在其内部空腔内，得到了一种“包裹型”硅碳复合材料。该材料具有高达1525mA·h/g 的比容量和较好的循环稳定性。这得益于硅与石墨烯的协同效应，纳米硅粒可分隔石墨烯层，防止其堆叠失效；而石墨烯层可以缓冲硅的体积效应，其导电网络结构可改善活性硅颗粒的电接触，维持材料结构稳定。Ma等通过喷雾干燥法合成具有浴花形状的硅-石墨烯复合材料（见图1）。电化学测试表明，该复合材料的首次充放电容量分别为2174mA·h/g和1252mA·h/g，经过30个循环后，可逆容量仍保持在1500mA·h/g以上。其优异的电化学性能归因于这种特殊的浴花状结构以及石墨烯与纳米硅颗粒之间的协同作用，石墨烯提供足够的空间来缓冲充放电过程中硅的体积变化，并防止硅颗粒的聚集。此外，高导电性的石墨烯包裹活性纳米硅颗粒，从而保持其循环过程中稳定的电接触。

石墨烯修饰电极的电化学性能

https://www.sodocs.net/doc/4f616868.html,锦生炭素 石墨烯修饰电极的电化学性能 石墨烯(Graphene)是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨等其他碳质材料的基本单元,具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能,在微纳电子器件、光电子器件、新型复合材料以及传感材料等方面有着广泛的应用前景,基于石墨烯的相关研究也成为目前电化学领域的热点研究领域之一。 本论文围绕石墨烯的不同修饰电极条件,结合电化学基础研究,开展了石墨烯及其相关的电化学性能研究。具体内容归纳如下: (1)将石墨烯与具有良好导电性能的聚苯胺(PANI)复合,研究了石墨烯/聚苯胺复合物修饰电极的电化学性能。利用石墨烯与聚苯胺之间电子给体与电子受体的相互作用,实现了聚苯胺在中性甚至强碱性溶液中的电化学活性,并利用红外光谱、拉曼光谱和紫外光谱进行了可能的机理探讨。石墨烯/聚苯胺复合物材料在中性溶液里的电化学活性,在生物传感领域具有可能的应用空间;同时,在不同pH 溶液里的电化学活性也为石墨烯/聚苯胺复合物材料在pH传感中提供了可能的应用空间。 (2)将石墨烯与具有电绝缘性能的凡士林混合,研究了石墨烯/凡士林膜电极的电化学性能。循环伏安测试表明:采用10.0 mg/mL、5.0 mg/mL和1.0 mg/mL的石墨烯/凡士林修饰电极可以依次得到常规尺寸电极、亚微尺寸电极和微尺寸的纳米电极阵列,并且通过简单混合所制备的石墨烯/凡士林膜电极具有良好的电化学活性和稳定性。作为新型碳材料的膜电极,石墨烯/凡士林膜电极在基础电化学研究和应用中具有一定的潜在价值。 (3)将石墨烯组装在具有完全电绝缘性能的硫醇自组装膜电极上,研究了石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学性能。交流阻抗数据表明,随着组装时间的增加,石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学阻抗逐渐降低,表明石墨烯在硫醇自组装膜上是一个可控的组装过程。循环伏安测试还表明,石墨烯的组装时间是120 min和5 min时,可以分别得到常规尺寸和微尺寸纳米电极阵列的石墨烯/硫醇自组装膜电极,而且对抗坏血酸、多巴胺、尿酸具有较好的电催化活性。同时,为了探讨可能的实验机理,我们讨论了电子传递的可能原因以及影响自组装膜电极双电层结构的两个因素。结果表明随着硫醇中碳链长度的增加,电子传递速率逐渐降低,氧化还原峰电位的差值逐渐增大;不同碳材料的电子转移速率呈现为:石墨烯>多孔碳>石墨。这种采用简单而有效的方法制备的石墨烯/硫醇自组装膜电极,在电化学理论研究和实际应用中具有较好的前景。 超级电容器是一种绿色、新型的储能元件,由于其高效、无污染的优良特性,符合“低碳”经济的发展要求,受到了人们的高度重视。超级电容器的核心是电极材料。 新兴的石墨烯二维单层原子碳材料因具有大的比表面积、优异的导电性、高的机械强度,被认为是理想的超级电容器电极材料。化学方法制备的氧化石墨烯具有良好的成膜性,可用于制备“石墨烯纸”并进而应用于无支撑电极。 此外,氧化石墨烯上丰富的含氧官能团可用于锚定金属纳米粒子,形成石墨烯复合材料。本论文围绕石墨烯薄膜制备、修饰和电化学电容性质开展研究工作,发展了石墨烯/碳纳米管复合薄膜的溶液铸造制备方法,提出了水热还原制备石墨烯基复合薄膜的途径,并研究了所制备材料的电容性能,取得了

石墨烯基超级电容器电极材料研究进展..

**大学研究生课程考试（查）论文2014——2015学年第二学期 《石墨烯基超级电容器电极材料研究进展》 课程名称：材料化学 任课教师： 学院： 专业： 学号： 姓名： 成绩：

石墨烯基超级电容器电极材料研究进展 摘要：超级电容器是目前研究较多的新型储能元件，其大的比电容、高的循环稳定性以及快速的充放电过程等优良特性，使其在电能储存及转化方面得到广泛应用。超级电容器的电极材料是它的技术核心。石墨烯作为一种新型的纳米材料，具有良好的导电性和较大的比表面积，可作为超级电容器的电极材料。利用其他导电物质对石墨烯进行改性和复合，可以在保持其本身独特优点的同时提高作为电极材料的导电率、循环稳定性等其他性能。本文对近年来石墨烯基电极材料在两种不同类型超级电容器中的应用研究进行了综述。 关键词：超级电容器；石墨烯；导电聚合物；金属氧化物 随着人类社会赖以生存的环境状况的日益恶化，过多的CO2排放造成气候变化不稳定，人们对能源的开发和研究重点已经转移到绿色能源（如太阳能、风能等）上面[1, 2]，但是它们是靠大自然的资源来储能和转化能量的，其发电能力极大程度要受到自然环境以及季节变化的影响，如果被广泛应用于日常生活，有很多不稳定性，这也是目前太阳能、风能领域的瓶颈。超级电容器，又称作电化学电容器，是一种既稳定又环保的新型储能元件。它具有充电时间短、使用寿命长、功率密度高、安全系数高、节能环保、低温特性好等优点。超级电容器在现代科技、工业、航天事业方面的应用都十分广泛，它代表了高储能技术的一次突破。目前，国内在相关方面做了许多研究，并实现了商业化生产。但是，它们的广泛应用还存在，例如，能量密低、成本过高等问题。 从原理出发，超级电容器可分为双电层电容器和法拉第赝电容器两类。两者均是由多孔双电极、电解质、集流体、隔离物4部分所构成（超级电容器结构如图1所示）。为了减小接触电阻，要求电解质和电极材料紧密接触；隔离物的电子电导要低，离子电导要高，以保证电解质离子顺利穿透。双电层电容器是利用双电极和电解质组成的双电层结构来实验充放电储能的。当在两电极上施加电压，电解质被电离产生正负离子，由于电荷补偿，正离子移向负电极，负离子移向正电极，这样就在电极与电解质界面处产生双电层。由于这个双电层是由相反电荷层构成，如同普通平板电容器一样，但是此双电层间距很小，是原子尺寸量

【CN109781820A】一种石墨烯复合材料修饰电极及其制备方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910202055.3 (22)申请日 2019.03.18 (71)申请人 河南城建学院 地址 467036 河南省平顶山市新城区龙翔 大道 (72)发明人 李银峰　刘伟　李霞　王朝勇　 陈湘　刘丽华　李航　王智锟　 (74)专利代理机构 山东博睿律师事务所 37238 代理人 曲成武 (51)Int.Cl. G01N 27/30(2006.01) (54)发明名称 一种石墨烯复合材料修饰电极及其制备方 法 (57)摘要 本发明公开了一种石墨烯复合材料修饰电 极及其制备方法。所述石墨烯复合材料为氧化 铁-石墨烯-3-(2-氨基乙基)吡啶复合材料或氧 化铁-石墨烯-4-(2-氨基乙基)吡啶复合材料。本 发明制备的石墨烯复合材料修饰电极，以氧化石 墨和氯化铁作为原料，3-(2-氨基乙基)吡啶或4- (2-氨基乙基)吡啶作为掺杂剂，制备成Fe -N -C材 料，具有良好的电催化活性， 优异的稳定性。权利要求书1页 说明书3页CN 109781820 A 2019.05.21 C N 109781820 A

权　利　要　求　书1/1页CN 109781820 A 1.一种石墨烯复合材料修饰电极，其特征在于，所述石墨烯复合材料为氧化铁-石墨烯-3-(2-氨基乙基)吡啶复合材料或氧化铁-石墨烯-4-(2-氨基乙基)吡啶复合材料。 2.权利要求1所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行： (1)将氧化石墨烯溶解于去离子水中，超声分散均匀，形成悬浮液； (2)将氯化铁与3-(2-氨基乙基)吡啶或4-(2-氨基乙基)吡啶混合，溶解于去离子水中，搅拌均匀； (3)将步骤(2)制备的混合液慢慢加入到步骤(1)制备的悬浮液中，搅拌均匀，制成混合液； (4)将步骤(3)制备的混合液置于反应釜中，在170-180℃条件下反应8-11小时，反应结束后，自然冷却至室温，获得水凝胶状物质； (5)将水凝胶状物质在去离子水中浸泡6-10天，将水凝胶切片制备成电极。 3.根据权利要求2所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的制备方法为：取石墨原料5-15g、硝酸钾15-25g，加入碱溶液100ml并置于密闭容器内，用氧气置换容器内气体并充入氧气至压力为10-15MPa，在温度300-500℃进行反应，反应结束后取出反应产物固液分离，所得固相洗涤并干燥，即得氧化石墨烯固体产物。 4.根据权利要求3所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，所述碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠。 5.根据权利要求2所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述氧化石墨烯与去离子水的用量质量比为(2-5)：1000。 6.根据权利要求2所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述氯化铁与3-(2-氨基乙基)吡啶或4-(2-氨基乙基)吡啶用量质量比为1：(0.5-2)。 7.根据权利要求2所述石墨烯复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述浸泡过程中，每天换去离水2次。 8.权利要求1所述石墨烯复合材料修饰电极在制备超级电容器中的应用。 9.权利要求1所述石墨烯复合材料修饰电极在制备电池中的应用。 2

石墨烯基超级电容器研究进展

石墨烯基超级电容器研究进展 摘要：超级电容器是最具应用前景的电化学储能技术之一。目前，超级电容器的研究重点是提高能量密度和功率密度，发展具有高比表面积、电导率和结构稳定性的电极材料是关键。石墨烯因具有比表面积大、电子导电性高、力学性能好的特点而成为理想的电容材料，但石墨烯的理论容量不高，在石墨烯基电极制备过程中容易发生堆叠现象，导致材料比表面积和离子电导率下降。因此，发展合适的制备方法，对石墨烯进行修饰或与其他材料形成复合电极材料是一种有效解决途径。本文对石墨烯基电极及其在双电层电容器、法拉第准电容器和混合型超级电容器中的应用的研究进展进行归纳，重点介绍了石墨烯凝胶薄膜电极的制备过程，以促进石墨烯基电极在超级电容器构筑中应用。 传统化石能源资源的日益匮乏和环境的日趋恶化，有力地促进了太阳能和风能等可再生能源的发展但太阳能、风能具有波动性和间歇性，需要有效的储能装置保证其能够稳定的在电网中并网工作。同时，电动汽车产业的快速发展也迫切需要发展成本低、环境友好、能量密度高的储能装置。 超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的一种电化学储能装置，其容量可达几百甚至上千法拉。自1975年Conway首次提出法拉第准电容的储能原理以来，超级电容器的研发已经得到了长足的发展，日本NEC、松下、本田、日立和美国Maxell等公司开发出的小型超级电容器已开始推向市场，在小型移动电子设备、汽车能量回收等领域应用。法国SAFT公司、韩国NESE公司等也在进行超级电容器的研究和开发。美国的USMSC计划、日本的New Sunshine计划和欧洲的PNGU计划均将超级电容器列入开发内容。我国将“超级电容器关键材料的研究和制备技术”列入到《国家中长期科学和技术发展纲要（2006—2020年）》，作为能源领域中的前沿技术之一。超级电容器作为一种新型电化学储能单元，具有容量大、功率密度高、免维护、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽等优点，已在备用电源系统、便携式电子设备和电动汽车领域有广泛的应用。对于具有随机性和间歇性等特点的可再生能源发电，超级电容器应用于风力发电中可以提高风电场的运行安全。超级电容器的基本构造与应用组件如图1所示。

基于石墨烯的化学修饰电极的制备及应用

基于石墨烯的化学修饰电极的制备及应用 世界上有这么种物质，它透明，有韧性，它极其坚硬，防水，它存量丰富，经济实惠并且它的电阻率是世界上已知物质中最小的。它就是石墨烯，一种拥有完美性能的材料，科学家和企业家都为之着迷。[1] 1.1石墨烯 石墨烯（Graphere）是由碳原子组成的单层二维六角晶格结构的碳质新型纳米材料，具有极高的机械强度、极大的比表面积、优异的导电性能、很高的层内载流子迁移速率、优异的导电能力、良好的生物亲和性、近乎完美的量子隧道效应、几乎从不消失的室温铁磁性等一系列优良的特殊性质。自从英国曼彻斯特大学的两位科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov因在石墨烯研究领域的卓越研究而被授予了2010年的诺贝尔奖，由此，石墨烯逐渐成为当今自然科学的热点领域之一。[2] 1.2 石墨烯的制备 目前实验室制备石墨烯的方法主要有微机械剥离法、化学气相沉淀法、碳化热热解的外延生长法、氧化石墨还原法、石墨插层法、溶剂热法、芳香偶联法、电化学法、碳纳米管转换法和液相剥离法等。 1.2.1微机械剥离法 2010年诺贝尔奖得主使用胶带粘贴制备石墨烯的方法便是属于微机械剥离法。其原理 便是石墨中的碳原子呈层状结构，层间以范德华力结合，原子间作用力相对化学键来说比较弱，故可以施加外力即可将石墨烯从石墨表面撕扯下来。 其特点便是简单，但该方法耗时长产物少、过程不可控，不可能用于石墨大规模制备。 1.2.2化学气相沉淀法 化学气相沉淀法是一种本质上属于原子范畴的气态传质过程，主要原理是将碳氢化合物吸附于具有催化活性的反应基片上，在相当高的温度下使得碳氢化合物在催化条件上脱氢而在基底上形成石墨烯。 该方法简单易行，能获得表面积较大的石墨烯，但反应不可控，且难以与固体基底剥离。1.2.3碳化热热解的外延生长法 该方法原理是通过加热SiC单晶表面使得Si发生脱附而在原有表面形成单层石墨烯。 其形成的石墨烯厚度可控且洁净无杂质，但仍然难以制备大面积的石墨烯、并且仪器设备要求及成本都很高。 1.2.4氧化还原石墨法 氧化还原石墨法首先用强氧化剂处理天然鳞片石墨使得石墨边缘附近带上环氧基、羧基、羟基等亲水基团而成为氧化石墨，进一步通过水相超声等方法剥离氧化石墨，最后用还原剂还原氧化石墨烯而得到石墨烯的过程。 这种方法操作方便，条件易于实现，且能满足石墨烯工业化产量的要求，但存在制备所得的石墨烯层数不可靠控、带有一定量杂质基团等缺陷。 1.2.5微波法 即为在微波条件下进行氧化还原制得石墨烯的过程。 该方法具有反应速度快、条件温和、设备要求简单的优点，但还原程度不易控制。 1.2.6溶剂热法

石墨烯透明电极

柔性光电子器件，如有机发光二极管与太阳能电池，已经引起了越来越多研究者的关注。而其中用到的电极材料也需要具备柔性，轻便，低成本等特点，同时可以大批量地生产。 目前主导光电子器件的氧化铟锡（ITO）电极由于机械稳定性差，而且铟资源的日益缺少导致其成本的不断提高。所以急需寻求一些可替代的环保的电极材料。过去几十年研究者们尝试了大量的新型电极材料，比如纳米碳管、金属网格与金属纳米线网等。最近，由于其高导电性、透明性、可弯曲性、空气与高温稳定性，石墨烯作为一种新型的柔性电子学与电极材料得到广泛认同。 迄今为止制备石墨烯透明电极有两种方法：一种是把石墨烯氧化物溶液旋涂在基底上，然后在高温下还原；另一种是利用化学气相沉积法（CVD）的方法在金属镍或者铜表面催化生长石墨烯，然后再转移到不同的基底上。前一种方法很容易制成薄膜，但是需要1000℃高温，所以对很多基底都不合适，像玻璃与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）分别在500℃与250℃左右就开始融化。后一种方法尽管不需要太高温度，却要使用复杂的CVD设备，同时还需要转移石墨烯膜的额外程序。因此开发一种低成本、高产出，同时不需高温处理、真空设备与膜转移步骤的方法来制备石墨烯透明柔性电极很有必 要。 香港理工大学纺织制衣系郑子剑教授的研究组与陶晓明教授合作，发展了一种简便的制备高质量石墨烯复合电极（graphene composite electrode, GCE）的方法。他们首先制备磺酸化修饰的石墨烯氧化物，再进行原位水合肼还原，得到大量（克级）径向尺寸大于50微米、并具有良好水溶性的石墨烯片。将此石墨烯的溶液进一步用导电聚噻吩（poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrenesulfonate，PEDOT: PSS）掺杂所得到的石墨烯复合溶液，能够很好地旋涂在玻璃或者PET 的基底上。然后只需要在150℃下退火，便可以得到高导电率（80 Ω sq ? 1）和高透光率（80%）的石墨烯复合材料透明电极。在1000次弯曲测试中，电极显示了极好的稳定性，导电性没有明显降低。 使用该电极制备的有机发光二极管在发光效果上也比基于ITO电极的器件高出2倍。

石墨烯-负极

Silicon-graphene battery triples lithium ion batteries density 28/10/2012 Batteries, System Operator Electric car range could triple with silicon-graphene breakthrough in lithium batteries. A new lithium-ion battery designed by CalBattery, with a silicon-graphene anode, promises a dramatic energy density breakthrough, according to a news release issued by the company on Friday. Energy density is the key measure of electric car batteries to determine driving range and ultimately the usefulness of the vehicle. It was the energy density improvements of lithium-ion batteries that enabled the resurgence of electric cars. But the current crop of lithium ion batteries do not allow for enough energy storage, and driving range, at a low enough cost, to get past the “too expensive” sniff test that is hindering electric car adoption today. The company is a finalist in the Dept of Energy?s 2012 Start UP America?s Next Top Energy Innovator challenge. Independent test results using full-cell lithium-ion battery cells designed by CalBattery demonstrate an energy density of 525 watt-hours per kilogram, and a specific anode capacity of 1,250 mili-amp-hours per gram.Most commercial batteries have an energy density in the 100-180 watt-hours per kilogram range, and specific anode capacity in the 325 mili-amp-hours per gram range.

石墨烯修饰电极电化学性能

石墨烯修饰电极的电化学性能 石墨烯(Graphene>是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建零维富勒烯、一维碳纳M管、三维石墨等其他碳质材料的基本单元,具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能,在微纳电子器件、光电子器件、新型复合材料以及传感材料等方面有着广泛的应用前景,基于石墨烯的相关研究也成为目前电化学领域的热点研究领域之一。 本论文围绕石墨烯的不同修饰电极条件,结合电化学基础研究,开展了石墨烯及其相关的电化学性能研究。具体内容归纳如下: (1>将石墨烯与具有良好导电性能的聚苯胺(PANI>复合,研究了石墨烯/聚苯胺复合物修饰电极的电化学性能。利用石墨烯与聚苯胺之间电子给体与电子受体的相互作用,实现了聚苯胺在中性甚至强碱性溶液中的电化学活性,并利用红外光谱、拉曼光谱和紫外光谱进行了可能的机理探讨。石墨烯/聚苯胺复合物材料在中性溶液里的电化学活性,在生物传感领域具有可能的应用空间。同时,在不同pH溶液里的电化学活性也为石墨烯/聚苯胺复合物材料在pH传感中提供了可能的应用空间。 (2>将石墨烯与具有电绝缘性能的凡士林混合,研究了石墨烯/凡士林膜电极的电化学性能。循环伏安测试表明:采用10.0 mg/mL、5.0 mg/mL和1.0 mg/mL的石墨烯/凡士林修饰电极可以依次得到常规尺寸电极、亚微尺寸电极和微尺寸的纳M电极阵列,并且通过简单混合所制备的石墨烯/凡士林膜电极具有良好的电化学活性和稳定性。作为新型碳材料的膜电极,石墨烯/凡士林膜电极在基础电化学研究和应用中具有一定的潜在价值。 (3>将石墨烯组装在具有完全电绝缘性能的硫醇自组装膜电极上,研究了石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学性能。交流阻抗数据表明,随着组装时间的增加,石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学阻抗逐渐降低,表明石墨烯在硫醇自组装膜上是一个可控的组装过程。循环伏安测试还表明,石墨烯的组装时间是120 min和5 min时,可以分别得到常规尺寸和微尺寸纳M电极阵列的石墨烯/硫醇自组装膜电极,而且对抗坏血酸、多巴胺、尿酸具有较好的电催化活性。同时,为了探讨可能的实验机理,我们讨论了电子传递的可能原因以及影响自组装膜电极双电层结构的两个因素。结果表明随着硫醇中碳链长度的增加,电子传递速率逐渐降低,氧化还原峰电位的差值逐渐增大。不同碳材料的电子转移速率呈现为:石墨烯>多孔碳>石墨。这种采用简单而有效的方法制备的石墨烯/硫醇自组装膜电极,在电化学理论研究和实际应用中具有较好的前景。 超级电容器是一种绿色、新型的储能元件,因为其高效、无污染的优良特性,符合“低碳”经济的发展要求,受到了人们的高度重视。超级电容器的核心是电极材料。 新兴的石墨烯二维单层原子碳材料因具有大的比表面积、优异的导电性、高的机械强度,被认为是理想的超级电容器电极材料。化学方法制备的氧化石墨烯具有良好的成膜性,可用于制备“石墨烯纸”并进而应用于无支撑电极。 此外,氧化石墨烯上丰富的含氧官能团可用于锚定金属纳M粒子,形成石墨烯复合材料。本论文围绕石墨烯薄膜制备、修饰和电化学电容性质开展研究工作,发展了石墨烯/碳纳M管复合薄膜的溶液铸造制备方法,提出了水热还原制备石墨烯基复合薄膜的途径,并研究了所制备材料的电容性能,取得了以下的研究成果:1.利用氧化石墨烯良好的成膜性,通过溶液铸造方法,制备了氧化石墨烯薄膜和氧化石墨烯/碳纳M管复合薄膜。 然后通过200℃退火,得到了相应的石墨烯薄膜、石墨烯/碳纳M管薄膜。这种薄膜通过石墨烯层间相互作用结合,例如π-π堆积,以及范德华力等,因而能够在各种极性电解液中稳定存在。复合薄膜的比电容在70~110 F/g,并且因为其表面仍然存在着部分含氧官能团的作用,显示了一定的赝电容的特性,表明其作为超级电容器电极的潜质。2.通过抽虑法制备了氧化石墨烯/碳纳M管复合薄膜。在水热条件下,氧化石墨烯被水还原并实现自组装,重新构建成具有π-π堆积的网络状三维结

石墨烯电极的制作及电化学性质的测定

石墨烯电化学性质的测定 摘要:本实验以石墨为原料，通过改进的Hummers方法制备氧化石墨，在水中超声分散后得到石墨烯水溶胶，肼还原得到石墨烯聚集物。采用循环伏安法研究了样品的充放电性能。结果表明：石墨烯可以作为电极材料，并且具有一定的吸附能力。 关键词：石墨烯循环伏安法电化学性质 The preparation of graphene and its eletrochemical performance Abstract: Graphene was oxidized graphite with modifed Hummer’s method and made into aqueous colloid oxidized graphene layers.The graphene was gotten by reducing the graphene layers with https://www.sodocs.net/doc/4f616868.html,ing the cyclic voltammetry method investigates the electrochemical performance. The results show that graphene can be used as electrode materials, and it has absorption capacity. Key words：graphene; cyclic voltammetry method; electrochemical performance 一．前言： 石墨是由碳原子组成的二维网状结构的有序堆积而成的晶体。单层的网状平面在自然界中并不能稳定存在。2004年Novoselov用机械的方法成功将石墨烯

新能源材料 石墨烯电池

2017春季学期 新能源材料--课程论文 院（系）材料科学与工程 专业材料科学与工程 学生曾波 学号1141900225 班号1419002

石墨烯电池应用与展望 曾波 材料科学与工程1141900225 摘要石墨烯作为近年来炙手可热的新材料，凭借其独特微纳米尺度的二维平面结构和良好的导电导热特性在锂离子电池电极材料中也有着可观的的应用前景。本文介绍了石墨烯电池的概念提出和工作原理，调研了市场最新的石墨烯电池信息和商用情况，分析了特点和潜在问题以及根据现状的合理展望。 关键词石墨烯锂离子电池能量密度石墨烯电极材料 1 引言 在现已有广泛应用基础的新能源材料中，锂电池作为二次电池中的佼佼者具有开路电压高"能量密度大"使用寿命长"无记忆效应"无污染以及自放电率小等优点。如图一所示，锂离子电池工作原理，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极主要是磷酸铁锂，钴镍锰酸锂（三元材料）等负极主要是碳棒和石墨。充电时Li+从正极脱出经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态,正极处于贫锂态,同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极,保证负极的电荷平衡;放电时则相反。由于Li的原子序数很小,故Li+的质量很轻,单位重量的电极材料就可以储存较多的Li+,所以通常锂离子电池具有较高的能量密度。然而,受限于电极材料的结构与电解质的性能,锂离子电池的功率性能相对较弱,针对动力锂离子电池,这一点表现得尤为突出。故如何增加锂电池的功率密度是当务之急。 要攻破这一难关，需要制备具有高效储能特性的负极材料。碳材料的储锂机理复杂，因此尽管计算化学论证了石墨烯的高储锂容量，但目前制备的石墨烯的可逆容量接近甚至超过理论容量的储锂机理还需进一步分析证明。石墨烯电池是 指用石墨烯掺杂改性的复合材料替 代传统锂电池的电极材料，其他碳、 石墨材料比容量较小，每6个碳原子 与一个锂离子形成LiC6结构存储锂 离子，理论比容量为372mAh/g而石 墨烯是以单片层单原子厚度的碳原 子无序松散聚集形成，这种结构有利 于锂离子的插入，在片层双面都能储 存锂离子，理论容量明显提高。并且 锂离子在石墨烯表面和电极之间快 速大量穿梭运动的特性也将加快充 放电速度。石墨烯电池有望解决现在 锂电池不稳定、充电慢、容量低的难 题。 2 石墨烯电池介绍 2.1石墨烯 石墨烯是是由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，厚度仅为0.34纳米，单层厚度相当于头发丝直径的十五万分之一。是目前世界上已知的最轻薄、

石墨烯在超级电容器电极材料中的应用

石墨烯在超级电容器电极材料中的应用 摘要石墨烯具有独特的结构和优异的电学、热学、力学等性能，自从2004年被成功制备出来，一直是全世界范围内的一个研究热点。由于石墨烯具有巨大的表面体积比和独特的高导电性等特性，石墨烯及其复合材料在电化学领域中有着诱人的应用前景，因此，石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的研究是石墨烯材料研究的一个重要领域。综述了石墨烯，石墨烯的制备，超级电容器电极材料，超级电容器的原理及结构及其在超级电容器域中应用的研究现状，展望了石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的未来发展前景。 关键词石墨烯制备方法原理及结构超级电容器电极材料应用发展前景 引言

2004年英国曼彻斯特大学的kostya novoselov等[1]制备出了石墨烯。他们强行将石墨分离成较小的碎片，并从碎中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，其中部分样品仅由一层碳原子构成——石墨烯。在发现石墨烯以前，理论和实验科学家们都认为完美的二维结构无法在非绝对零度下稳定存在，但是单层二维结构石墨烯却能在实验中被制备出来,，这一实验成就立即在物理、化学、材料科学等领域引起了震撼［1-5］。 正是因为制得了石墨烯，他们获得了2008年诺贝尔物理奖的提名。自从石墨烯被成功制备出来以后，石墨烯在全世界范围内掀起了一股新的研究热潮，各种极具魅力的奇特性质相继被发现，预测其很有可能会在很多领域引起革命性的变化，石墨烯具有独特的结构和优异的电学、热学、力学等性能，石墨烯材料将在各种微电子领域包括电极材料、能源转化储存领域、复合材料、场发射材料. 高灵敏度传感器等领域中发挥巨大的作用。石墨烯是研究领域的“金矿”，研究人员正在“开采”并陆续得到了新的研究成果。 文献综述了石墨烯及石墨烯材料的制备及其在超级电容器电极材料中的应用研究并展望了其未来发展前景。 石墨烯在超级电容器电极材料中的应用 1石墨烯 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜， 只有一个碳原子厚度的二维材料[1]。石墨烯 一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存 在[1]，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理 学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫， 成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而实 验证实它可以单独存在，两人也因“在二维石 墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010 年诺贝尔物理学奖[2]。石墨烯目前是世上最 薄却也是最坚硬的纳米材料[3] ，它几乎是完 全透明的，只吸收 2.3%的光"[4]；导热系数 高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石， 常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s， 又比纳米碳管或硅晶体更高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上图1 石墨烯作为基本单元构筑其他石墨化碳材料的示意图