基于两步还原氧化石墨烯的平面片上微型超级电容器研究

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:okdangdang
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便携式电子设备的快速发展极大地刺激了当今社会对于同时具有微型化和高能量密度、功率密度的电化学储能装置的需求。平面片上微超级电容器由于其同时具备很好的功率特性和储能特性,可以很好的满足微型电子器件对于快充放电特性以及高储能特性的需求,故而,其正逐渐成为储能器件研究领域的一个新的前沿研究方向。本文在采用气液界面自组装法制造氧化石墨烯薄膜的基础上,通过两步还原法,即常温氢碘酸(HI)还原和高温热退火还原的连续操作制备出还原氧化石墨烯薄膜。AFM、XPS、XRD和四探针结果分别展示出该薄膜很薄,仅为3nm左右,同时该薄膜的碳氧原子比达到了34.84,还原峰位置和层间距分别为26.2°和3.39?,证明该薄膜得到了十分有效的还原,最终使该薄膜得到了2037.5S cm-1的高电导率。本文制备了基于两步还原氧化石墨烯平面片上微型超级电容器,并首次在采用光刻法制备电极的基础上将叉指型电极宽度和间隙距离同时缩小到100量级(均为8μm)。测试结果表明,该器件具有非常良好的倍率性能,扫描速率范围可从0.01 V s-1至10000 V s-1,且在扫速由低到高的变化过程中循环伏安曲线一直呈现较为标准的矩形。在10000 V s-1的超高扫速下,器件功率密度为12.18 W cm-3,在0.01 V s-1下的能量密度为40.97 m Wh cm-3,体积电容器高达294.97 F cm-3,同时响应时间常数τ0低至2.16μs。此外,平面片上微型超级电容器具有良好的循环稳定性,在5000 V s-1的高扫速下,10000次循环后电容保持率高达97.3%。为了进一步探究比表面积和离子传输距离对于器件性能的影响,本文设计并制备三种平面微型超级电容器(指宽间隙均分别为8μm、40μm、200μm),并对其电化学性能进行了测试。结果表明,随着宽度的成量级的减小,离子传输距离缩短,相对表面积有了很大的提高,使得超级电容器的各方面的性能均有较大幅度的提升,特别是终于实现了能量密度和功率密度的同步提升,证明了继续减小叉指和间隙宽度,同时提升叉指数量是很有意义的。
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