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石墨烯的制备及在超级电容器中的应用

吴洪鹏  
【摘要】:石墨烯作为一种新型的纳米二维材料,表现出很多新奇的物理特性,从一发现就成为人们研究的最热门领域之一。不同与其他炭材料,石墨烯的物性认识、宏量制备方法以及其在器件应用方面的研究都有待深入拓展。本文以石墨烯材料的制备为基础,利用化学法制备石墨烯在产量和性质方面的优势,将石墨烯与超级电容器的研究结合起来,以石墨烯作为电极材料,对不同电解质体系的超级电容器展开研究,主要内容包括以下几个方面: (1)采用化学氧化剥离法研究了大尺寸的单层氧化石墨烯的制备工艺和还原方法。讨论了氧化工艺、剥离参数对材料结构和形貌的影响,并对洗涤过程和还原方法进行改进,得到了单层或少层的片状和海绵状石墨烯。通过XRD、Raman光谱、电子显微镜等表征方法对样品进行测量,获得了一套实验室条件下小量生产石墨烯的最佳工艺参数。 (2)采用扣式结构制作了水系石墨烯电极超级电容器,研究了电容器的组装工艺。讨论了电极成型压力、隔膜材料种类以及粘合剂含量对电容器电学性能的影响,在此基础上,确定了石墨烯超级电容器制作的基本参数,并成功制作了成品超级电容器。 (3)利用同样的方式组装了有机体系石墨烯超级电容器,研究了隔膜、集电极种类对电容器性能的影响。着重讨论了隔膜材料的选择对电容器综合性能的重要作用,并对有机体系超级电容器内阻偏高在工艺方面的成因和解决方法进行了研究。 (4)对离子体系石墨烯超级电容器展开了研究,讨论了离子液体作为电解质在提高电容器电学性能方面的重要作用。研究了在相同的制作工艺下,高电导率、宽电化学窗口的新型电解液,对提高双电层电容器的比功率、比能量等基本电学性质的重要意义。 (5)研究了微波法快速还原氧化石墨烯的工艺,尝试了以熔融碱对石墨烯进行活化处理,并以此制作了离子型超级电容器。研究并改善了石墨烯的快速还原方法,使其更加适合工业化生产;优化了石墨烯材料的表面形貌,使其更加适合大尺寸离子的快速运动;并在此基础上研究了新型表面结构的石墨烯作为电极材料对电容器电学性能提高的重要作用。


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