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宏观厚度多孔石墨烯的制备及其在超级电容器中的应用

余新玲  
【摘要】:发展兼具足够存储能力和柔性的储能-供能器件成为当前新型电子器件领域的研究热点。柔性超级电容器凭借其快速充放电能力、长循环稳定性及安全性等优点而备受关注。其中,电极材料对超级电容器的电化学和机械性能都有着重要影响。因此,对电极材料的设计以及微观结构调控成为提升超级电容器性能的有效途径。作为一种理想的储能材料,三维多孔石墨烯既可以直接作为双电层电容器电极,也可以通过与赝电容材料结合制得复合物电极。用激光光热作用产生的高温将聚合物碳化成三维多孔石墨烯的制备方法具有快速高效、易掺杂、可同步图案化、低成本、可规模化等一系列优势,在石墨烯基柔性电极制备领域具有广泛的应用前景。但是,该方法还处于早期研究阶段,在三维多孔石墨烯的可控制备方面还缺乏深入的认识,制备出的超级电容器的能量密度和功率密度有待提高。针对以上问题,本工作分析了激光与聚合物相互作用生成多孔石墨烯的微观机制及影响因素,提出了一种改进的激光诱导制备石墨烯的新方法,通过对聚合物结构设计和热敏感性调控实现三维多孔石墨烯的高效快速制备、厚度调节、和孔隙结构优化,并通过与赝电容材料的复合得到具有优异电化学性能和机械柔性的三维多孔石墨烯复合材料电极,在此基础上构筑出的柔性微型超级电容器展现出较为理想的能量密度和使用寿命。通过对结构优化构筑出一种光热自加热型微型超级电容器,其电容性能在太阳光光照下实现了大幅度提升,有效地解决了超级电容器在低温环境中性能衰减问题。具体研究内容如下:(1)通过调控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(Polyimide,PI)的酰亚胺化程度和分子构型,从而对其热敏感性的调控,进而控制激光对其作用深度,在PI膜上原位“生长”出厚度高达320 μm的三维多孔激光诱导石墨烯(Laser-Induced Graphene,LIG)。该LIG的面积和体积比电容高达 132.2 mF/cm2 和 4.13 mF/cm3。(2)为了进一步提高电容量和能量密度,在三维多孔LIG上原位电沉积赝电容材料聚吡咯(Polypyrrole,PPy)以制得石墨烯/聚吡咯复合物(LIG/PPy)电极,该复合材料结构进行优化后展现出高达2412.2 mF/cm2的面积比电容。以该LIG/PPy作为电极制造的平面叉指形柔性固态微型超级电容器(Micro-Supercapacitor,MSC)不仅具有高达 134.4 μWh/cm2 和 6500 μW/cm2的能量密度和功率密度,同时还展现出优异的倍率性能、长的循环寿命和机械柔韧性。(3)通过探索温度对超级电容器电化学性能影响的规律,阐述了电极与电解液界面处的相互作用对电荷(电子、离子)输运、存储性能的影响机制及调控措施。在此基础上,以LIG/PPy为电极,通过对超级电容器的结构设计优化,构筑出一种具有显著光热效应的光热自加热型MSC。在室温环境中并在一个太阳光照下,该MSC的面积比电容量和能量密度均提高了 4.8倍(高达2668.8 mF/cm2和626.4 μWh/cm2),这些数值高于大部分石墨烯复合物超级电容器。将该MSC置于-30℃的低温环境中并在一个太阳光照射下,比电容增长了 4.05倍(505.5 mF/cm2)达到室温相当的水平(556.7 mF/cm2),实现了 MSC在低温环境中电容性能的大幅度提升。本研究结果为提高超级电容器的能量密度以及改善超级电容器在低温环境下的电化学性能提供了一种可靠有效的方法,为太阳能发电设备的设计开辟一种新的途径。


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