石墨烯基超級電容器電極材料結構調控與性能.pdf

1、超級電容器作為一種儲能器件，具有高功率、長壽命、高可靠性的特點，被廣泛應用于新能源、電子器件、電動車等領域。目前對超級電容器的研究主要集中在保持其高功率特性的前提下，提高其能量密度。由超級電容器能量密度（E）的計算公式E=1/2(CV2)可知，可以通過：（1）開發(fā)具有高比容量（C）的新型電極材料；（2）設計具有高工作電壓（V）的的電容器體系，來達到提高超級電容器能量密度的目的。本文首先以獲得高比容量電極材料為目標，通過利用氧化石墨烯獨特

2、的物理化學性質（可還原性、可組裝性、可修飾性和陰離子性等），設計制備出氧化石墨烯轉化碳球、還原氧化石墨烯/Mn3O4復合粉體和氧化石墨烯/聚吡咯復合薄膜三個體系超級電容器電極材料；其次，為獲得高的工作電壓，分別以MnO2和水熱還原氧化石墨烯為正負極，利用其析氫析氧過電位，設計構建具有高工作電壓的非對稱水系超級電容器。
　　利用氧化石墨烯的可組裝性，通過調控水熱環(huán)境，實現(xiàn)氧化石墨烯自組裝轉化形成碳球。發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯前驅體溶液中引入含

3、氧酸（硫酸、磷酸）或水合肼可促使氧化石墨烯發(fā)生結構重構形成碳球。氧化石墨烯轉化碳球在電子束輻照下具有獨特的刺激響應行為-即球核受熱分解發(fā)生體積膨脹形成空心化碳球。由于碳球是由石墨烯高度團聚-包覆-脫水重構轉化而來，導致電解液難以浸入到碳球內部，即碳球的形成降低了水熱還原氧化石墨烯的電化學活性表面。因此碳球的形成不利于獲得具有高比容量的水熱還原氧化石墨烯材料。
　　通過醋酸錳在還原氧化石墨烯的二甲基甲酰胺/水混合溶劑分散液中水解實現(xiàn)

4、Mn3O4納米顆粒（粒徑5nm左右）對還原氧化石墨烯表面的修飾改性。優(yōu)選的Mn3O4修飾量（58wt.％）既能有效防止還原氧化石墨烯片層在干燥過程中的緊密疊層，而且不發(fā)生自身團聚，因此可獲得較高的電化學活性表面。還原氧化石墨烯/Mn3O4復合粉體在2mA/cm2的放電電流密度下，比容量達343F/g，且當電流密度增加至50mA/cm2時，仍能保持215F/g的比容量。
　　利用氧化石墨烯的陰離子性，在吡咯、氧化石墨烯和高氯酸鋰前驅

5、體水溶液中通過一步電化學共沉積，獲得了厚度達50μm的三維氧化石墨烯/聚吡咯復合薄膜。該薄膜由聚吡咯涂覆的氧化石墨烯片三維交聯(lián)而形成，因此具有快速的離子擴散孔道。通過控制前驅體溶液中氧化石墨烯濃度可實現(xiàn)對復合薄膜形貌結構的有效控制?；钚圆牧县撦d量為0.26mg/cm2的復合薄膜電極質量比容量高達481.1F/g，而負載量為1.02mg/cm2的復合薄膜電極則表現(xiàn)出最高的面積比容量（387.6mF/cm2）。氧化石墨烯/聚吡咯復合薄膜電極

6、具有優(yōu)異的倍率性能，當放電電流密度由0.2增至10mA/cm2時（50倍），容量保持率均在80%以上?；谘趸?聚吡咯復合薄膜電極的水系和固態(tài)超級電容器具有優(yōu)異的電化學電容特性，倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性。其中工作電壓0.8V的水系超級電容器在80W/kg的功率密度下，能量密度為16.4Wh/kg，且當功率密度增加至4000W/kg時，能夠保持其78%的初始能量密度。
　　利用MnO2正極和石墨烯負極之間電化學窗口的匹配性，以1m