石墨烯基础.docx

石墨烯的储能特性及其前景展望
能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大问题。在化石能源日 渐枯竭，环境污染日益严重，全球气候变暖的今天，寻求替代传统 化石能源的可再生绿色能源，谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。 对于新型的、绿色、储能器件，在石墨烯的储能特性及其前景展望
能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大问题。在化石能源日 渐枯竭，环境污染日益严重，全球气候变暖的今天，寻求替代传统 化石能源的可再生绿色能源，谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。 对于新型的、绿色、储能器件，在关切其绿色的同时，高功率密度， 高能量密度则是其是否可以真正替代传统能量储运体系的重要指标。 新型的电源体系，特别是二次电池或者超级电容器是目前重要的绿色 储能装置，而其中核心部分是性能优异的储能材料。各种碳质材料， 特别是sp2杂化的碳质材料，由于其特殊的层状结构或者超大的比 表面积，成为重要的储能材料或者储能体系的电极材料。作为sp2 杂化碳质材料的基元结构的单层石墨 石墨烯（graphene），2004
年被成功制备；独特的结构、真正的表面性固体（无孔表面碳原子 比例为100%的超大表面材料），使其成为下一代碳质电极材料的重要 选择。
碳是自然界广泛存在的一种元素，具有多样性，特异性和广泛性 的特点。碳元素可以sp、sp2、sp3三种杂化方式形成固体单质。而 sp2杂化形成的碳质材料的基元结构是二维石墨烯片层。如果在六 元环形成的石墨烯晶格结构中存在五元环的晶格，就会使石墨烯片 层翘曲，当有12个以上五元环晶格存在时就会形成零维的富勒烯； 碳纳米管可以看作是石墨烯沿一定角度卷曲形成的圆筒状一维材料； 石墨烯片层相互作用、叠加，便形成了三维的体相石墨。而作为无定 形的多孔碳质材料（活性炭活性炭纤维及炭气凝胶等）则是由富含 缺陷的微晶石墨炭(厚度和尺度很小的三维石墨片层结构)相互作用 形成。
石墨烯这种稳定的晶格结构使其具有异常优异的导电性。石墨 烯的价带和导带(电子)相交于费米能级处，是能隙为零的半导体， 在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系。石墨烯中的电子在轨 道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子 问作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中 电子受到的干扰也非常小。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料。 石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速 的1 / 300， 远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯特殊的结构使其具 有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应等一系列性质。石墨 烯也具有良好的力学、光学和热学性质，具有突出的导热性能(3 0 0 0 W / (m • K))和力学性能(1 0 6 0 GP a )，以及室温下高速 的电子迁移率(1 5 0 0 0 c m/ ( V • s ) )- l。石墨烯是真正的 表面性固体，理想的单层石墨烯具有超大的比表面积，其理论比 表面积高达2600 m/g ，而单层石墨烯的比表面积为2 6 3 0 m/ g，大大超过目前应用于电化学双层电容器中的活性炭的比表面积。
良好的导