金属Ni-石墨烯气凝胶研究进展及在不对称超级电容器中应用

胡庆庭　马静

摘 要：综述了NiCo2O4不同形貌的制备方法，以及与石墨烯气凝胶（GA）复合材料制备方法的研究进展，并分析在不对称超级电容器中的应用，最后对石墨烯气凝胶复合物在不对称超级电容器的应用前景进行总结与展望。

关键词：金属;石墨烯气凝胶;不对称超级电容器

0 引言

当今能源资源快速枯竭，生态平衡日益恶化，对能源储存系统的需求也日益迫切。另外，随着电信设备、备份存储设备、便携式电子设备、心脏起搏器和混合动力电动汽车等的普及使用，储能设备材料也引起了人们极大的兴趣。双电层电容器（EDLC）和锂离子电池（LIB）作为新型能源器件的发展则最为迅猛，因前者具有超过100万次的循环寿命和超过5 kW/kg的功率密度，而后者具有更高的能量密度，超过100 Wh/kg。但是EDLC的能量密度低于10 Wh/kg，而LIB的功率密度低于1.5 kW/kg且仅有2000次循环。因此介于EDLC和LIB之间的电容电池（又称为不对称超级电容器）成为了科学界研究的热点，因为电容电池综合了双电层吸附和电化学反应这两种储能机理，其中双电层吸附可明显提高器件的倍率性能，而电化学反应能增加器件的容量，因此其在新能源汽车、轨道交通、发电、电池等领域具有广泛的应用前景。大量实验研究表明，石墨烯或石墨烯基气凝胶对电化学、催化、电磁、传感、疏水和吸附等多种技术都有潜在影响，用这种特殊的纳米材料开发三维（3D）结构将进一步扩大其在应用数量和设备的可制造性方面的重要性，三维结构的石墨烯由于其超低质量密度和层次性连接孔结构而成为一种新型的电极材料，这种结构可以提供较大的表面积和电子传输。

1 NiCo2O4不同形貌的制备方法

NiCo2O4作为一种典型的电池材料，在LIB，超级电容器及混合电容器中有重要的研究意义。同时NiCo2O4纳米颗粒的形貌对其电化学性会有很大影响，同时经过实验发现，碱性物质在NiCo2O4的形态形成中起重要作用。

罗亚妮利用低温水热法制备了具有海胆状结构的NiCo2O4，将海胆样NiCo2O4作为电极材料应用于超级电容器时，其电化学性能在四种样品中是最优的，显示了其在超级电容器上的应用潜力。这种优异的性能是由于这种具有大比表面积的超细纳米针组装的海胆状NiCo2O4，其具有独特的介孔结構，通过对NiCo2O4电极材料形态控制及其与电化学性能之间关系的研究，为合理设计和合成具有理想形态的高性能超级电容器电极材料提供了参考。

刘霞园一步水热法成功地在镍泡沫上制备了NiCo2O4纳米片--线结构阵列薄膜，并对制备的NiCo2O4样品作为超级电容器和锂离子电池的电极材料进行了测试，这优异的电化学性能可以归因于其由超薄纳米片--线互连而成的独特空间结构，有利于离子穿透和电子传输，显示了其作为高性能超级电容器和锂离子电池电极材料的潜在应用。

2 NiCo2O4-GA复合材料制备方法

迄今，NiCo2O4 由于其导电性好、资源丰富、耐腐蚀等特性被认为是最有希望代替RuO2的材料。NiCo2O4是Co3O4中的一部分Co 离子被 Ni 离子所取代而形成的。石墨烯气凝胶（GA）是近年来开发的一种通过利用GO片的还原自组装来形成3D骨架的新型多孔碳材料，GA不仅具有石墨烯优异的物理、化学特性，而且还有气凝胶固有的低密度、高孔隙率等优点。

董碧桃等利用这种独特的互连结构和NiCo2O4@N-rGO杂化纳米结构的优异电学性能，我们展示了超级电容器电极材料的巨大潜力。此外，这种将碳材料有效地装饰在金属氧化物上的合理设计概念具有通用性和可扩展性，可以作为制造高性能储能/转换系统中广泛种类的混合纳米结构的一般策略。

魏文硕等在本实验中采用简单的方法制备了还原氧化石墨烯（rGO）修饰的NiCo2O4复合材料的路线，还原氧化石墨烯修饰后，制备了一系列的NiCo2O4/GO复合材料，研究其电化学性能，再与GA复合起来，rGO/NiCo2O4复合材料为高性能超级电容器的未来应用提供了广阔的前景。

3 在锂电容电池中的应用

为了满足储能单元的更高要求，迫切需要结合超级电容器高功率性能和锂离子电池高能量密度的新型器件，该器件由电化学双层电容电极作为正极，锂离子电池型电极作为负极组成。两种电极均由石墨烯基活性材料组成，正电极为具有超高比表面积、合适孔径分布和优异导电性的三维石墨烯基多孔碳材料，负电极为具有开孔结构和优越速率能力的闪光还原氧化石墨烯。NiCo2O4具有导电性好、资源丰富、耐腐蚀等特性，石墨烯气凝胶（GA）是不仅具有石墨烯优异的物理、化学特性，而且还有气凝胶固有的低密度、高孔隙率等优点，将两者复合后，应用在不对称电容器中，表现了优秀的电化学性能，提高了储能性能，增强了循环性能，稳定性，是未来电容器发展的一大优秀材料。

4 总结与展望

因此，NiCo2O4还原氧化石墨烯层以防止还原氧化石墨烯薄片的重复，这种现象除了会增加石墨片的孔隙率外，还会增强电解质离子的流入和流出，从而产生优异的电化学性能，还原氧化石墨烯的加入可以产生更好的润湿性，从而使剩余的氧基在水中得到良好的分散。

非对称超级电容器不仅有望在储能行业中发挥关键作用，而且未来在交通运输、电动工具和消费电子产品领域前景看好，该领域的研究有望在不影响超级电容器高功率密度的前提下，以提高能量密度为目标蓬勃发展。尽管取得了不错的的进展，但仍需要创新方法来开发具有宽运行电压和足够能量密度、同时保持高功率密度和长周期寿命的非对称超级电容器，特别是用于大规模储能应用。为了更好地理解非对称超级电容器的电荷存储机理，并获得更高的电化学性能，还需要做更多的工作。

参考文献：

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作者简介：

胡庆庭（1995- ），女，毕业于江西理工大学，现安徽理工大学在读硕士研究生，研究方向：金属Ni/氧化石墨烯复合材料的制备与超级电容器性能研究，安徽省淮南市安徽理工大学山南校区