基于碳材料印刷柔性超级电容器

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目前,在可穿戴电子、绿色能源等领域技术的进展往往会受到能量储存设备供能不足的限制。超级电容器是满足这些领域在供能、使用寿命、稳定性、快速充放电、柔性以及安全等需要有吸引力的解决方案。超级电容器具有高的能量密度、功率密度、循环寿命和稳定性,此外,它还具有快速充放电以及安全等特点,这些都是其他储能设备不能比拟的。本文以碳材料和超级电容器为研究对象,借助印刷电子技术,来实现超级电容器电极的构造,提高超级电容器的储能性能。本文的研究内容和结论概括如下:(1)首先通过静电吸附的作用将氧化石墨烯与硝酸银复合,然后将氧化石墨烯与硝酸银水溶液印刷成薄膜,再通过气相还原法制备石墨烯/纳米银复合材料。研究了制备工艺对复合材料的导电性能的影响,并对复合材料的结构、性质等进行了分析与表征。实验发现,制备的约为5 nm大小的银颗粒插入到了石墨烯的片层之间,阻止了石墨烯的团聚,提高了其电导率,使得复合材料电导率最高可以达到2.9×105 S/m。此外,气相还原方法的应用,和银颗粒产生了协同作用,在制备的石墨烯/纳米银复合材料内部生成了多孔通道,使得该复合材料具有优异的电化学性能,其面积比电容可以达到60.6 m F/cm2。而且,石墨烯/纳米银导电薄膜表现出了优异的柔性,在0~180°的弯折下,方阻具有良好的稳定性,在150次以内的弯折下,方阻变化率也保持在0.1以内。(2)采用喷墨印刷技术,以氧化石墨烯与硝酸银质量比为1:3的水溶液为墨水,通过墨层的层层堆叠和水合肼的气相还原,制备了具有三维结构的超级电容器电极。研究了印刷工艺对印刷电极效果的影响,并对印刷三维电极的电化学性能进行了测试分析。结果表明,当印刷基底温度不低于55℃且打印间隔不少于40s时,墨水具有良好干燥效果,可以印刷出厚薄均一的电极。通过测试发现,三维电极以双电层的储能效果为主,具有良好的充放电可逆性,在5m V/s的扫描速率下,可以达到209 m F/cm2的面积比电容,即使在50 m V/s的扫描速率下,电极的面积比电容也可以达到99.5 m F/cm2的,面积比电容的保持率可以达到47.6%,显示出制备的三维电极具有良好的倍率性能。此外,在交流阻抗测试中发现,三维结构有利于电解质离子向电极表面扩散,三维电极表现出了理想的电容特性。(3)在印刷三维电极的基础上,以1 mol/L H2SO4/PVA凝胶为电解质组装了柔性超级电容器,并对该超级电容器的电容、倍率、柔性、循环寿命、功率密度和能量密度等性能进行测试和分析。实验结果表明,组装的柔性超级电容器可以实现186.42 m F/cm2的面积比电容,即使在10倍的扫描速率下,其电容保持率仍然高达63.8%。该组装超级电容器的能量密度最高可以达到2.59 Wh/L,而功率密度最高可以达到1.39 k W/L,要优于目前部分的商业超级电容器。此外,该组装超级电容器表现出了良好的柔性,优秀的循环寿命和循环稳定性,在2000次的循环测试后,该组装超级电容器的电容保持率可以达到87.3%。综上所述,通过静电吸附和气相还原法,将石墨烯与纳米银粒子组装在一起,阻止了石墨烯的团聚,同时在石墨烯/纳米银复合材料内部形成了多孔通道,使得该复合材料具有优异的导电性和电化学性能。另外,在石墨烯/纳米银复合材料的基础上,通过印刷技术制备了三维电极,将此三维电极通过凝胶电解质组装成了柔性超级电容器,该超级电容器表现出了优异的电化学性能、柔性和循环寿命,具有较高的功率密度和能量密度,非常适合作为小型电子器件的储能装置。
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