二维纳米材料超电容器件

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图1. 储能器件中，二维纳米材料形貌对离子传输性能的影响

图2. 二维材料复合结构增强电容器性能

图3. 基于二维材料的超级电容器配置

一、主要内容

二、用于电容式储能器件的二维纳米材料分类

2.1 石墨烯

自从2008年，Rao和Ruoff等人将石墨烯用于超级电容器以来，研究人员通过对石墨烯进行晶格结构、形貌、化学处理等改性，使得石墨烯基超级电容器的储能性能得到大大提高。完美的平面石墨烯具有较低的电容，开放式的多孔和弯曲形貌的石墨烯有利于提高离子传输性能，从而提高能量和功率密度。缺陷和掺杂有效提高了石墨烯的量子电容。

优势：

1）高理论比表面积。2630 m² g^-2。

2）优异的电学性能。

特点：

1）容易团聚：π-π相互作用，导致相互接触的石墨烯层容易发生聚集和团聚。

2）离子和电子传导性：具有SP²结构的碳晶格扰乱会导致电学性能降低。

3）层数：石墨烯的各种优异性能和石墨烯层数重大相关

图4. PECVD制备的石墨烯及其超级电容器性能

2.2 二维金属氧化物

优势：

1）氧化还原活性有效提高电容值。

2）高比重使得其具有比石墨烯更高的体积比电容，即便是在重量比电容相同的情况下。

缺点：

导电性较差。大部分金属氧化物都是绝缘体或半导体，导电性较差限制了其储能能力，尤其是在高放电速率条件下。

改进办法：

缺陷、非化学计量法以及与其他二维材料的复合可以提高导电性，形貌和纹理的设计、电极构筑等方法提高离子传导性能。

主要材料：

Ru氧化物、Mn氧化物, 、Mo氧化物为主；以及其他Co₃O₄, NiCo₂O₄, TiO₂-B, TiO₂-anatase, Fe₃O₄.等。

图5. 二维钌酸纳米片及其超级电容器性能

2.3 二维过渡金属二硫属化物

代表材料：MoS₂特点：亚稳态的2H（半导体相）、1T相（金属相），以及稳定的3R混合相。

图6. 二维1T-MoS₂及其超级电容器性能

2.4 二维金属碳化物（MXenes）

代表材料：Ti₃C₂T_x特点：金属导电性、亲水性、离子嵌入能力

图7. Ti₃C₂T_x及其超级电容器性能

表1. 各种二维材料电化学性能汇总

三、电容性能的主要制约条件和影响因素

制约条件：团聚和低导电性

影响因素：纳米片层材料的组成；形貌和材质；电极构筑；器件配置

通过复合和多级次的2D、3D结构构筑，将纳米片隔离开来，避免团聚。空间阻隔材料包括：其他的0-2维材料。同时，复合材料之间的协同效应也有助于电化学性能的进一步提高。

图8. δ-MnO₂/rGO复合材料

四、超级电容器的微型化和柔性化

主要包括：基于还原氧化石墨烯的微型超级电容器；基于其他无机二维材料微型超级电容器；基于二维材料的柔性、自支撑膜超级电容器；透明柔性电极等

图9. 激光剥蚀制备的微型超级电容器及其电化学性能

五、规模化、廉价的电极制备技术

1. 激光剥蚀生产

2. 印刷生产

3. 卷轴式生产

图10. 喷墨打印方法

六、挑战与策略

1. 二维纳米片的尺寸和厚度控制

2. 化学和电化学稳定性

3. 电极薄膜的规模化制备