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聚焦:二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

导读: 二维石墨烯类似物的制备、性质以及作为能源存储材料的性能、影响因素,二维石墨烯类似物作为电极材料的优缺点和面临的机遇及挑战。

二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

图5 分别基于二硫化钼和二硫化钒的超级电容器

  化学剥离法制备的金属型二硫化钼具有较高的导电性,体积比电容可以达到400-700 F cm-3。高导电性的二硫化钒比电容可以达到4760 F cmcm-2,并且具有良好的循环性能。

二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

图6二维过渡金属碳化物用于超级电容器

  原位聚合吡咯与二维过渡金属碳化物所形成的复合物展示出优异的电化学性质:体积比电容可以达到1000 F cm-3,并且循环25000次以上仍能保持90%以上。这种良好的性能可以归结为两种材料之间的协同效应。

  5二维石墨烯类似物用于电池

  由于高比表面积和优异的电化学性质,层状材料一直是电池电极材料的备选物。二维石墨烯类似物在锂电池、钠电池、锂硫电池、锂空气电池等新能源储能器件中应用广泛,文中主要讨论了其在锂离子电池和钠离子电池中的应用,如下例所示:

二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

图7 二硫化钼/硫掺杂的石墨烯复合物用于锂离子电池

  通过溶剂热处理法制备的二硫化钼/硫掺杂的还原氧化石墨烯复合物,在进一步热处理之后,可以用于锂离子电池材料中。在高电流密度的条件下(10 A g-1),展示出较高的比容量(915 mAh g-1)和良好的循环性能。

二维类石墨烯材料在储能领域的应用前景

图8 磷烯/石墨烯的复合物用于钠离子电池。

  磷烯自身的理论比容量为2596 mAh g-1。通过溶液法制备的磷烯/石墨烯复合物可以用于钠离子电池材料当中,由于两种材料之间的协同效应,该复合材料的比容量可以达到2440 mAh g-1。

  总结与展望

  作者总结了石墨烯类似物在储能器件中的应用,如超级电容器和锂离子电池等。目前来说,它们在储能器件中的表现仍然不尽人意,其在倍率性能和循环稳定性上的表现限制了实际应用,面对未来大规模的市场化应用,其性能还需要大幅提升,提出以下五点展望:

  1、需要制备高效、稳定、低成本的制备高性能的能源存储器件;

  2、发展低成本、高效、大规模制备高质量的二维石墨烯类似物技术,控制尺寸和层数;

  3、解决其低导电性问题,例如与高导电材料如石墨烯等复合;

  4、深入研究结构和性能之间的关系,以及能源存储机理(理论和实验相结合);

  5、需要学术界和工业界的密切合作,以解决二维石墨烯类似物在能源存储实际应用中所面临的问题。

 

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