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      石墨烯的制備及其在鉛酸電池中的應(yīng)用

      2015-07-02 03:22:49楊新新周明明李厚訓(xùn)戴貴平超威電源有限公司研究院浙江湖州313100
      蓄電池 2015年3期
      關(guān)鍵詞:石墨烯導(dǎo)電性

      石 沫,楊新新,周明明,吳 亮,柯 娃,李厚訓(xùn),戴貴平(超威電源有限公司研究院,浙江 湖州 313100)

      石墨烯的制備及其在鉛酸電池中的應(yīng)用

      石 沫,楊新新,周明明,吳 亮,柯 娃,李厚訓(xùn),戴貴平
      (超威電源有限公司研究院,浙江 湖州 313100)

      摘要:添加炭材料能夠明顯地提高鉛酸電池的性能。石墨烯是具有獨(dú)特平面二維結(jié)構(gòu)的炭材料,具有很多優(yōu)異的性能,如良好的導(dǎo)電性和很高的比表面積。本文綜述了石墨烯的制備方法,并對(duì)目前石墨烯在鉛酸電池中的應(yīng)用情況進(jìn)行了研究和總結(jié)。

      關(guān)鍵詞:炭材料;石墨烯;導(dǎo)電性;鉛酸電池

      0 前言

      石墨烯是碳原子緊密堆積的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料,碳原子排列呈平面六邊形結(jié)構(gòu),在二維平面上每個(gè)碳原子以 sp2雜化軌道相連接[1]。單碳層石墨烯作為碳的二維同素異形體,被認(rèn)為是構(gòu)成其他碳系家族材料(如零維的足球烯、一維的碳納米管、三維的石墨)的基本初始組成單元,如圖 1 所示。石墨烯具有許多優(yōu)異的性能,引起了世界范圍的廣泛關(guān)注,也掀起了研究石墨烯的熱潮。石墨烯是目前已知的導(dǎo)電性最好的材料,具有極低的電阻率、超高的比表面積,比金剛石的硬度更大,具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)[2],這使得石墨烯在鉛酸蓄電池中的應(yīng)用得到關(guān)注。

      圖1 石墨烯卷曲成 0D 的富勒烯,卷曲成 1D 的碳納米管或堆垛成 3D 的石墨[1]

      1 石墨烯的制備方法

      1.1機(jī)械剝離法

      機(jī)械剝離法是采用物理方法制備石墨烯的方法。2004年,曼徹斯特大學(xué)的兩位教授選用高定向裂解石墨,用等離子體進(jìn)行刻蝕得到微槽,然后將其固定在玻璃襯底上,之后使用膠帶對(duì)其進(jìn)行反復(fù)揭剝,裝置示意圖如圖 2 所示[3],將較薄的石墨烯微片溶于丙酮中,超聲,最后利用石墨烯與單晶硅件間的毛細(xì)管力或范德華力的作用,將石墨烯從丙酮溶液中“撈出”,對(duì)得到的石墨烯性能進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在 300 K 時(shí),石墨烯的電子遷移率超過 15 000 cm2/(V?s),在溫度為 4 K 時(shí),電子遷移率約為 60 000 cm2/(V?s)[3]。該法能夠得到晶型完整的石墨烯,但是效率很低,不能用于大規(guī)模生產(chǎn)?,F(xiàn)階段機(jī)械法有了新的發(fā)展,如球磨法、三輥機(jī)械剝離法等[4-5],這些方法雖然也能將石墨剝離開來,但是在制備過程中還存在很多不可控因素,很難將石墨完全剝離成石墨烯。

      1.2化學(xué)氣相沉淀法

      化學(xué)氣相沉淀法(CVD)是以甲烷、乙炔等作為碳源,將平面基板 Cu、Ni 放置于高溫含碳源的氣氛中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)持續(xù)一定時(shí)間后進(jìn)行冷卻,形成的固體沉積在加熱的固態(tài)基體表面,進(jìn)而制備石墨烯的方法。Li[6]等人選用 CH4和 H2混合氣體,在 1000 ℃ 條件下,在銅箔表面生長出石墨烯,得到的石墨烯主要為單層,將其轉(zhuǎn)移到 Si 基體,對(duì)所制備石墨烯的性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn) CVD法制備的石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。化學(xué)氣相沉淀法所得產(chǎn)品質(zhì)量高,可大面積生長,方便轉(zhuǎn)移到各種基體上,是目前制備石墨烯晶體管等電子器件最有優(yōu)勢(shì)的方法,然而該法對(duì)工藝、技術(shù)要求較高,成本較高。

      1.3氧化石墨烯還原法

      氧化石墨烯還原法是以石墨粉為原料,在強(qiáng)酸(如 H2SO4、HNO3)及強(qiáng)氧化劑(如 KMnO4、KClO4等)的作用下,經(jīng)強(qiáng)氧化得到的產(chǎn)物,主要有 Standenmaier 法、Brodie 法和 Hummers 法三種,不同的方法氧化的程度不同,其中最常用的為 Hummers 法[7]。氧化石墨因含有極性基團(tuán)如羧基、羥基等,從而使石墨烯具有強(qiáng)烈的親水性,水分子能插入片層之間,可采用超聲將氧化石墨完全剝離,分散在水介質(zhì)中。通過化學(xué)還原(用還原劑如肼、硼氫化鈉等)、熱還原、光催化輔助還原等可得到還原氧化石墨烯。Stankovich 等[8]采用 Hummers 法制備氧化石墨烯,并在 100 ℃ 的條件下利用了水合肼作為還原劑還原氧化石墨烯,制得的石墨烯比表面積為 466 m2/g,制得的粉末經(jīng)壓縮測(cè)得的電導(dǎo)率為 2×102S/m。該法簡單易行,操作簡單,是大批量制備石墨烯的一種方法,但是氧化法會(huì)產(chǎn)生一定的廢液且氧化一定程度上破壞了石墨烯的原有結(jié)構(gòu),氧化還原的石墨烯的π電子共軛結(jié)構(gòu)在化學(xué)還原劑的作用下并不一定能夠完全被還原,會(huì)使其性能有一定的損失。

      1.4外延生長法

      外延生長方法包括碳化硅外延生長法和金屬催化外延生長法。碳化硅外延生長法是指將被氫氣或氧氣刻蝕處理的 SiC 單晶體加熱,在高溫條件下,SiC 表面的 Si 原子被蒸發(fā)而脫離表面,剩下的 C 原子通過自組形式重構(gòu),從而得到基于 SiC 襯底的石墨烯。Berger[9]等人在高真空下通過電子轟擊加熱經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品,除去氧化物,從而形成極薄的石墨層,研究結(jié)果表明該方法能可控地制備出單層或是多層石墨烯。

      金屬催化外延生長法是在超高真空下將碳?xì)浠衔锿ㄈ氲骄哂写呋钚缘倪^渡金屬基底如 Pt、Ir、Ru、Cu 等表面,通過加熱使吸附氣體催化脫氫從而制得石墨烯。氣體在吸附過程中可以長滿整個(gè)金屬基底,并且其生長過程為自限過程,即基底吸附氣體后不會(huì)重復(fù)吸收,因此,所制備出的石墨烯多為單層,且可以大面積地制備出均勻的石墨烯。Sutter[10]等在超高真空下,以釕(Ru)作為襯底,將釕單晶加熱至 1150 ℃ 使得碳原子滲入釕單晶,再緩慢冷卻至 825 ℃,此時(shí)碳原子的溶解度下降,金屬釕表面浮出大量的碳原子,產(chǎn)生鏡片狀的單碳層石墨烯。由于這種方法沒有引入其他新的雜質(zhì)元素,所以制備出來的單層石墨烯樣品純度非常高,但采用該方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻,且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合可能會(huì)影響碳層的特性。

      1.5 其他方法

      除了上述方法之外,還有將石墨分散在有機(jī)溶劑中進(jìn)行超聲剝離分散的超聲分散法,利用石墨烯與有機(jī)大分子的結(jié)構(gòu)相似性來合成石墨烯的有機(jī)合成法,采用電弧放電制備石墨烯的電弧法等[11-13]。

      2 石墨烯在鉛酸電池中的應(yīng)用

      早在 1998 年,胡法竹[14]就研究了不同石墨種類在不同放電率時(shí)及其粒度對(duì)鉛酸電池活性物質(zhì)利用率的影響。

      近年來對(duì)炭材料加入鉛酸電池負(fù)極對(duì)鉛酸電池性能的影響研究發(fā)現(xiàn),炭材料的加入能夠提高電池負(fù)極的導(dǎo)電性,限制硫酸鉛晶體顆粒的生長,有利于易溶解小顆粒硫酸鉛的形成,在高倍率放電狀態(tài)下,促進(jìn)硫酸溶液更容易且更深地滲透入負(fù)極活性物質(zhì)中,從而提高鉛酸電池在高倍率部分荷電態(tài)(HRPSoC) 的循環(huán)壽命[15-16]。炭材料的導(dǎo)電性取決于石墨化程度,石墨烯對(duì)鉛酸電池性能影響的研究也在漸漸興起。

      2006年Lam 等人[17]將炭材料加入到鉛酸電池負(fù)極制備出了具有很高充放電接受能力和循環(huán)壽命的鉛炭超級(jí)電池,掀起了研究炭材料在鉛酸電池負(fù)極應(yīng)用的熱潮,具有特殊層狀結(jié)構(gòu)的石墨也引起了人們的廣泛關(guān)注。馬荊亮[18]等人采用氧化還原法制備石墨烯,將得到的石墨烯與 Pb(CH3COO)2?3H2O混合,在蒸餾水中,常溫常壓下超聲 96 h,之后過濾加入稀硫酸浸泡 12 h 得到硫酸鉛/石墨烯混合物。將復(fù)合物在 50 ℃ 下干燥,加入鉛酸電池的負(fù)極。研究發(fā)現(xiàn)電池在以 100、200 和 300 mA?g-1電流密度放電時(shí)純硫酸鉛的平均放電比容量分別為49、5 和 0.5 mAh?g-1,而硫酸鉛/石墨烯復(fù)合材料的平均電容則能達(dá)到 110、94 和 69 mAh?g-1。通過XRD 和 SEM 測(cè)試結(jié)果顯示硫酸鉛均勻分布在石墨烯片層上,沒有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,這是由于硫酸鉛會(huì)直接形成聚集體,而石墨烯由于具有高的比表面積、較好的電子遷移率和其他優(yōu)異的性能,能夠在被絕緣的硫酸鉛占據(jù)的區(qū)域形成電子傳導(dǎo)通路,與此同時(shí)石墨烯還可以充當(dāng)電容器,作為一個(gè)緩沖區(qū)來幫助負(fù)極板吸收高密度電流,有利于硫酸鉛的分散和抑制硫酸鉛晶體的生長,且高的比表面積有利于 H+和 HSO4-的存儲(chǔ),提高導(dǎo)電率和加速傳質(zhì)過程。石墨烯優(yōu)異的性能使得其與硫酸鉛制得的石墨烯/硫酸鉛復(fù)合材料在高倍率充放電下具有更好的比容量和充電接受能力,有力地提高了鉛酸電池的性能。

      最近,Tateishi[19]等人以天然石墨粉為原料,采用 Hummer 法制備氧化石墨烯并將其制成氧化石墨烯紙,石墨烯紙?jiān)阢U酸電池中起到電解液的作用,將鉛粉、水、硫酸、木質(zhì)素等各按照一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合成鉛膏加入到氧化石墨烯與鉛板之間,在充放電過程中石墨烯紙起到了質(zhì)子導(dǎo)體的作用,其質(zhì)子傳導(dǎo)的電阻率為 10-2Ω。對(duì)所制備的電池性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),具有良好的初始容量,電池容量與放電電流密度之間的關(guān)系為:電池的容量基本不隨著電流密度的上升而下降。當(dāng)電池活性物質(zhì)的比表面積增大時(shí)(如更小粒徑的 Pb 和/或 PbO2)電池容量和質(zhì)量能量密度均可提高,這種電池可以制成厚度為1.5~2.0 mm 的便攜式電池,改善漏液現(xiàn)象。雖然目前這種氧化石墨烯鉛電池還存在一些缺陷,但其為鉛電池的使用提供了一個(gè)新的方向。

      石墨烯為近年來發(fā)現(xiàn)的新型材料,雖然其優(yōu)異的性能引起了各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,但是其應(yīng)用尚處于研究階段。石墨烯在鉛酸蓄電池領(lǐng)域的應(yīng)用屬于初始階段,但是其對(duì)鉛酸電池性能的影響已經(jīng)不可忽視。

      3 總結(jié)與展望

      綜上所述,加入石墨烯能夠明顯地提高鉛酸電池的充放電接受能力和電容,能有效地抑制負(fù)極硫酸鉛晶體的生長,提高電池的循環(huán)壽命等,石墨烯代替電解液可提高電池的初始容量。但是目前對(duì)石墨烯在鉛酸電池中作用機(jī)理的研究還在繼續(xù)進(jìn)行,石墨烯的比表面積、粒徑等對(duì)電池性能的影響,如何有效解決析氫問題,如何制備性能優(yōu)異的石墨烯鉛酸電池等問題還需進(jìn)一步的研究。

      參考文獻(xiàn):

      [1] Geim A K, Novoselov K S. The rise of graphene[J]. Nature materials, 2007, 6(3): 183-191.

      [2] Singh V, Joung D, Zhai L, et al. Graphene based materials: past, present and future[J]. Progress in Materials Science, 2011, 56(8): 1178-1271.

      [3] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J]. Science, 2004, 306(5696): 666-669.

      [4] Zhao W F, Fang M, Wu F R, et a1. Preparation of Graphene by Exfoliation of Graphite Using Wet Ball Milling[J]. J. Mater Chem., 2010, 28:5817-5819.

      [5] Chen J, Duan M, Chen G. Continuous mechanical exfoliation of graphene sheets via three-roll mill[J]. J. Mater. Chem., 2012, 22(37): 19625-19628.

      [6] Kim K S, Zhao Y, Jang H, et al. Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes[J]. Nature, 2009, 457(7230): 706-710.

      [7] Hummers Jr W S, Offeman R E. Preparation of graphitic oxide[J]. Journal of the American Chemical Society, 1958, 80(6): 1339-1339.

      [8] Stankovich S, Dikin D A, Piner R D, et al. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide[J]. Carbon, 2007, 45(7): 1558-1565.

      [9] Berger C, Song Z, Li T, et al. Ultrathin epitaxial graphite: 2D electron gas properties and a route toward graphene-based nanoelectronics[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2004, 108(52): 19912-19916.

      [10] Sutter P W, Flege J I, Sutter E A. Epitaxial graphene on ruthenium[J]. Nature materials, 2008, 7(5): 406-411.

      [11] Zhang W, He W, Jing X. Preparation of a stable graphene dispersion with high concentration by ultrasound[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2010, 114(32): 10368-10373.

      [12] Cai J, Ruffieux P, Jaafar R, et al. Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons[J]. Nature, 2010, 466(7305): 470-473.

      [13] Wang Z, Li N, Shi Z, et al. Low-cost and largescale synthesis of graphene nanosheets by arc discharge in air[J]. Nanotechnology, 2010, 21(17): 175602.

      [14] 胡法竹. 鉛酸蓄電池正極活性物質(zhì)中添加石墨的研究[C]. //第17屆炭-石墨材料學(xué)術(shù)會(huì)議. 1998.

      [15] P. T. Moseley, R. F. Nelson, A. F. Hollenkamp. The role of carbon in valve-regulated lead–acid battery technology[J]. Journal of Power Sources,, 2006, 157(1): 3-10.

      [16] Moseley P T. Consequences of including carbon in the negative plates of Valve-regulated Lead–Acid batteries exposed to high-rate partial-state-ofcharge operation[J]. Journal of Power Sources, 2009, 191(1): 134-138.

      [17] Lam L T, Louey R. Development of ultra-battery for hybrid-electric vehicle applications[J]. Journal of Power Sources, 2006, 158(2): 1140-1148.

      [18] 馬荊亮, 王殿龍, 陳飛, 等. 石墨烯/硫酸鉛復(fù)合材料的制備及其在鉛酸電池中的電化學(xué)性能(英文)[J]. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào), 2013, (9).

      [19] Tateishi H, Koga T, Hatakeyama K, et al. Graphene Oxide Lead Battery (GOLB)[J]. ECS Electrochemistry Letters, 2014, 3(3): A19-A21.

      Preparation of graphene and their application in lead-acid batteries

      SHI Mo, YANG Xin-xin, ZHOU Ming-ming, WU Liang, KE Wa, LI Hou-xun, DAI Gui-ping
      (Research Institute, Chaowei Power Co., Ltd., Huzhou Zhejiang 313100, China)

      Abstract:Carbon materials can significantly improve the performance of lead-acid batteries. Graphene is a kind of carbon materials with unique two-dimensional structure, which has a lot of excellent performance, such as good electrical conductivity and high specifi c surface area. This paper reviews the preparation methods of graphene, and its application in lead-acid batteries.

      Key words:carbon material; graphene; electrical conductivity; lead-acid battery

      中圖分類號(hào):TM 912.1

      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

      文章編號(hào):1006-0847(2015)03-142-04

      收稿日期:2014-11-24

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