【摘 要】
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智能移动设备的快速发展使得对具有大容量、长续航、快速充放电能力的储能-供能器件的需求日益凸显。超级电容器作为循环稳定、寿命长、安全性高的储能-供能器件,尤其是以高理论比电容材料为电极的赝电容更备受关注。其中,具备高理论比电容的材料当属过渡双金属氧化物;但在电化学反应过程中,这类氧化物因自身导电性弱,稳定性较差,很难发挥出应具有的电容性能。通常选择导电性很高的石墨烯来提高这类氧化物的稳定性和导电性,
【基金项目】
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国家重点研发计划(2019YFC1904601);
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智能移动设备的快速发展使得对具有大容量、长续航、快速充放电能力的储能-供能器件的需求日益凸显。超级电容器作为循环稳定、寿命长、安全性高的储能-供能器件,尤其是以高理论比电容材料为电极的赝电容更备受关注。其中,具备高理论比电容的材料当属过渡双金属氧化物;但在电化学反应过程中,这类氧化物因自身导电性弱,稳定性较差,很难发挥出应具有的电容性能。通常选择导电性很高的石墨烯来提高这类氧化物的稳定性和导电性,但石墨烯价格昂贵,制备工艺复杂,也难以实现规模化的生产。基于这些问题,本文采用橡胶剥离膨胀石墨的方法,以较低廉的价格和相对简易的工艺来获得石墨烯纳米片,进一步通过水热法的工艺,将石墨烯纳米片引入双金属氧化物体系中,以得到电化学性能较好和结构稳定的石墨烯复合电极材料。通过改性膨胀石墨与橡胶界面亲和性来研究最佳剥离时间,以及调控水热温度和时间的方式来优化复合材料的形貌与电容性能。具体研究内容及结果如下:(1)以可膨胀石墨为原料,通过高温短暂膨化、筛选、改性获得改性膨胀石墨;探讨了改性膨胀石墨经不同剥离时间对获得最终产物质量的影响。实验结果表明:持续剥离时间到达180 min时,氯丁橡胶剥离材料已达到最大塑性。拉曼光谱分析显示,此时的石墨烯样品的D峰与G峰的比值ID/IG为0.18,缺陷较少;原子力显微镜测试出片层厚度也能达到5 nm左右,说明获得的样品中,石墨烯已达到多层石墨烯水准。(2)基于以上获得的样品,通过水热法制备石墨烯纳米片与Zn Co2O4的前驱体,经退火处理获得MGNs/Zn Co2O4电极材料。探讨水热温度和时间来调控前驱体形貌,获得结构稳定的复合电极材料。实验结果表明:水热温度120,保温时间为3 h时,复合电极材料的形貌均一性更好,且具有更加稳定的球形结构。以MGNs/Zn Co2O4为电极,测试了6 M KOH水溶液的三电极体系下的电化学性能,在电流密度为1 A·g-1时,MGNs/Zn Co2O4电极的比电容为960 F·g-1。作为混合电容器正极时,简单组装的非对称超级电容器(MGNs/Zn Co2O4//AC ASC)器件,在功率密度为0.75 k W·kg-1时,其最大能量密度为17.78 Wh·kg-1,说明MGNs/Zn Co2O4复合材料在超级电容器中具有实际应用的潜力。本研究实现了利用橡胶混炼工艺,可以方便、快速的实现多层石墨烯的的批量、廉价制备以及在复合功能材料中的应用,有效提升了过渡双金属的电容性能,为绿色、廉价地制备超级电容器电极材料提供了新的途径。
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