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搭配“石墨烯电极”,电容器性能更高了!
2020年11月13日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:660
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超级电容器是一种新型储能装置,既具有电容器快速充放电的特性,同时又具有电池的储能特性,而且循环寿命长且安全性高,因此有人认为超级电容总有一天会取代锂电池。不过由于其能量密度低的短板,目前超级电容仍扮演着锂电池的配角角色。但如果有“万能材料” 石墨烯的加入,那情况会不会变得不一样?

石墨烯电极

石墨烯基材料之所以被认为在超级电容器的应用中具有极大的潜力,是因为其独特的二维结构和出色的固有的物理特性,诸如异常高的导电性和大表面积,因此它与传统的电极材料相比,在能量储存和释放的过程中,显示了一些新颖的特征和机制。

但石墨烯超级电容器的规模化应用需要在保持其优异电化学性能的前提下,实现宏观尺度(大面积和超高厚度)上的电极制备与组装。然而,在宏观厚度的石墨烯电极中,离子扩散通常受到限制,石墨烯片层的堆叠也会引起较大的内阻,导致电化学性能降低。因此,如何设计制备出兼具宏观厚度和丰富孔隙结构的电极材料是石墨烯超级电容器产业化应用所亟需解决的关键难题。

不过就在近期,科学家在该难题上成功取得了突破——中科院合肥研究院固体所王振洋研究员课题组实现了宏观厚度石墨烯晶体膜大面积制备。据悉,科研人员采用过快速高效、过程简单、环境友好、可同步图案化的高能激光诱导法,在聚酰亚胺基底上进行三维多孔石墨烯晶体膜的原位制备。为了调控激光与聚酰亚胺前驱体的相互作用,科研人员通过控制原料化学计量比和酰亚胺化反应温度来调控产物聚酰亚胺的酰亚胺化程度和分子构型,从而改变其热敏感性。最终,在聚酰亚胺膜上原位生长出厚度高达320μm的分级多孔结构石墨烯晶体膜,其面积和体积比电容高达172.2 mF/cm24.13 mF/cm3,展现出巨大应用潜能。

石墨烯电极

聚酰亚胺的热敏性调控及宏观厚度石墨烯晶体膜的激光诱导生长

石墨烯电极

宏观厚度石墨烯晶体膜的结构表征

进一步原位电沉积赝电容材料聚吡咯,可以制得石墨烯/聚吡咯复合电极,其面积比电容高达2412.2 mF/cm2。研究发现,以该复合电极材料作为电极制造的平面叉指形柔性全固微型态超级电容器,可获得高达134.4μWh/cm2325.2μW/cm2的能量密度和功率密度,且同时兼具优异的倍率性能、循环稳定性和机械柔韧性。

石墨烯电极

石墨烯/聚吡咯复合材料的超级电容性能

目前,相关结果已以“Ultra-thick 3D graphene frameworks with hierarchical pores for high-performance flexible micro-supercapacitors”为题发表在Journal of Power Sources上。

来源:中科院合肥物质科学研究院


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