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超级电容器新进展:基于石墨烯与V2O5纳米带形成的三维多孔电极材料

美国莱斯大学Ajayan教授课题组与北京航空航天大学杨树斌教授课题组合作,通过简单高效的水热方法,利用氧化还原石墨烯(Reduced graphene oxide)和V2O5粉末为原料, 成功制备了气凝胶形态的层状石墨烯与V2O5纳米带互相交错的三维多孔结构。

超级电容器新进展:基于石墨烯与V2O5纳米带形成的三维多孔电极材料

超级电容器凭借其充放电速度快、功率密度高、使用寿命长等优异性能而倍受关注。然而,超级电容器由于其较低的能量密度,而很少有被单独使用或者大量应用在我们的日常生活中。因此,如何提高其能量密度便成了扩大超级电容器应用范围的关键。其中,提高其比容量是提高能量密度的有效方法之一。碳材料是一种常用的电极材料,由于它具有表面积大、导电性好等优点,从而具备很好的稳定性和倍率性能,但其最大的缺点就是容量较低。而另一类常用的电极材料则是金属氧化物,具备较高的比容量,代表材料如五氧化二钒(V2O5)。研究表明,块状的V2O5的能量密度仅有11.6 Wh/g,而气凝胶形态的V2O5的能量密度则会显著提高。

美国莱斯大学Ajayan教授课题组与北京航空航天大学杨树斌教授课题组合作,通过简单高效的水热方法,利用氧化还原石墨烯(Reduced graphene oxide)和V2O5粉末为原料, 成功制备了气凝胶形态的层状石墨烯与V2O5纳米带互相交错的三维多孔结构。室温下,作为超级电容器电极材料时,该材料表现了优异的倍率性能。在1 A/g电流密度下,其比容量达到437 F/g的高比容量;在20 A/g的大电流密度下,其比容量仍旧能达到234 best online casino F/g。与此同时,该材料还具备了卓越的循环性能。在5 A/g下循环10000次之后,其比容量保持在首次容量的98%;在10 A/g大电流密度下循环10000次后,比容量仍旧维持在96%以上。相关研究成果由Ajayan课题组的博士研究生Gonglan YeYongji Gong等人发表于Particle & Particle Systems Characterization

该三维多孔结构的石墨烯与V2O5纳米带之所以能表现出如此优异的电化学性能,主要源自其独特的微观及宏观优势。首先,超薄的V2O5纳米带极大地加速了电子和离子之间的传输。其次,层状石墨烯与V2O5纳米带的互相交错形成三维的多孔结构具备了大的比表面积,有利于电解液与材料的充分接触以及电子交换。最后,由于石墨烯作为整个三维材料的支撑骨架,大大提高了整个电极材料的导电性能,保证了电极结构的稳定性,更进一步提高了电容器的循环性能。

该工作报道的三维多孔结构的制备,是一种简单、容易实现大规模量产的方法,有望在制备高比容量、高倍率性能的超级电容器研究领域得到广泛应用。

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