超級電容器柔性炭電極研究.pdf

1、超級電容器，也叫電化學電容器，具有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長和安全性能優(yōu)異等特點，是一種很有前途的新型儲能器件。隨著電子設(shè)備便攜化、可穿戴化，及多功能集成電路的發(fā)展，柔性化——成為儲能器件發(fā)展中日益重要而迫切的需求。制備高性能的柔性電極是發(fā)展柔性超級電容器的關(guān)鍵。本文以石墨烯為柔性結(jié)構(gòu)骨架，利用石墨烯自組裝的功能，制備一體化柔性全炭電極，應(yīng)用于超級電容器中體現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。具體研究內(nèi)容如下：
　　1、采用Humme

2、r's法制備的氧化石墨烯為原料，分別通過抽濾成型-熱還原、化學液相還原-抽濾成型和抽濾成型-化學氣相還原三種不同方法制備柔性還原氧化石墨烯膜電極，并將其應(yīng)用于超級電容器對比了其電化學性能。三種方法制備的電極均具有較好的柔性，電化學行為相似，儲能性能存在一定差異(147-171F g-1)。其中，抽濾成型-熱還原法制備的石墨烯膜電化學儲能性能最優(yōu)，且方法簡單、表觀平整光滑，機械性能更好，微觀孔隙發(fā)達，氧殘留少等，更利于復(fù)合電極的制備。

3、r>　　2、將活性炭與氧化石墨烯通過液相共混-抽濾成型-熱還原的方式制備一體化柔性復(fù)合電極。通過調(diào)整氧化石墨烯與多孔炭的質(zhì)量配比，制備不同比例的活性炭/石墨烯柔性復(fù)合電極，并應(yīng)用于無機KOH電解液對稱超級電容器體系中。由于活性炭的超高比表面積，在復(fù)合柔性電極中隨活性炭的比例提高，電極整體比表面積以及全電極質(zhì)量比電容量均呈增大的趨勢。在活性炭用量高達88％時，仍保持完整的“三維嵌入式”電極結(jié)構(gòu)，比電容可達到可觀的302F g-1，同時大電

4、流性能在20A g-1仍保持72％的優(yōu)異表現(xiàn)。在該電極中，石墨烯除貢獻了部分容量外，主要充當了柔性電極骨架和“粘結(jié)劑”的功能。
　　3、進一步引入高比表面積的分級孔炭作為活性物質(zhì)，制備了石墨烯復(fù)合分級孔電極。其中加入少量石墨烯作為電極成型的粘結(jié)劑，采用液相分散-抽濾成型-熱還原的方法制備了分級孔炭/石墨烯柔性電極，并將其與傳統(tǒng)的以PTFE和PVDF為粘結(jié)劑的電極進行對比。該柔性全炭電極兼具分級的孔隙微結(jié)構(gòu)特征和顆粒嵌入式的石墨烯三

5、維網(wǎng)絡(luò)的電極結(jié)構(gòu)特征。相對于傳統(tǒng)的電極制備方式，這種新型的石墨烯粘結(jié)電極的不僅在多孔性方面進一步提高（電極比表面積由2201m2g-1提高到2561m2g-1），同時電極整體電導(dǎo)率也顯著改善(電導(dǎo)率由0.177S m-1提高到0.337S m-1)。除此之外，石墨烯粘結(jié)電極在無機和有機電解液超級電容器中的電容儲能性能表現(xiàn)也優(yōu)于傳統(tǒng)電極。分級孔炭/石墨烯復(fù)合電極在無機KOH電解液中容量可達321F g-1，而在有機Et4NBF4/AN電解

6、液中也達到147F g-1，相對于傳統(tǒng)高聚物粘結(jié)劑電極提高了28％和41％。另外，石墨烯粘結(jié)電極表現(xiàn)出了更優(yōu)異的大電流性能。這主要是由于石墨烯作為粘結(jié)劑應(yīng)用于電極成型過程，其構(gòu)建的石墨烯三維結(jié)構(gòu)不僅有助于電解液中離子在孔隙中的吸附和遷移，同時有助于電子在電極中的傳導(dǎo)。
　　4、將上述石墨烯粘結(jié)電極的制備方法推廣應(yīng)用于三種不同形貌和顆粒尺寸的多孔炭材料（高分子基粉狀活性炭、活性炭纖維和活性炭球）的電極成型，進一步證實以石墨烯為粘結(jié)劑

7、，共混抽濾-熱還原的方法是一種制備高性能柔性炭復(fù)合電極的普適方法。選用活性物質(zhì)與還原氧化石墨烯質(zhì)量比為4∶1的工藝條件，石墨烯作為粘結(jié)劑將不同形貌的多孔炭材料成功制備成具有良好柔性的炭電極。該系列電極均具有類似的三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學儲能性能。該系列石墨烯粘結(jié)電極，在6mol.L-1KOH電解液中全電極的質(zhì)量比容量可達264、235及304F g-1，而相對于同比例的傳統(tǒng)高分子粘結(jié)劑電極提高率達到27％-40％;同時其