三维石墨烯基复合材料的制备及作为超级电容器电极的研究

发布时间：2020-08-21 09:51

【摘要】：超级电容器作为一个环境友好的能源存储装置具有高功率密度和低污染的优点。然而相比电池而言,这样的“高功率密度器件”,具有较低的能量密度,这一缺点严重地制约了超级电容器作为能源存储设备的大规模商业化应用。为了提高超级电容器的综合电化学存储性能,进而扩大超级电容器的应用范围,各国研究人员在低成本、高性能、环境友好的新型电极材料的研究方面已经做了大量的基础工作。通过不同的方法设计和制备的三维石墨烯基复合电极材料,不仅能够有效的阻止石墨烯层与层之间的相互堆垛,从而充分的利用石墨烯的高比表面积等优点,而且还能通过引入其它的功能材料,从而获得更好的电化学存储性能。本文通过浮游催化剂化学气相沉积和电化学相结合的方法制备了以石墨烯为基,碳材料、金属氧化物和导电聚合物作为添加物的不同的三维石墨烯基复合材料,通过利用各种组分之间的协同作用来提高电极材料的综合电化学存储性能。通过一个简单的电泳和浮游催化剂化学气相沉积两步法,以镍膜为基底来制备三维还原石墨烯-碳纳米管复合电极材料。将丙酮和乙醇清洗过的两片镍膜放入2 mg mL~(-1)的石墨烯溶液中并分别连接稳压源的正负极,然后通过调节稳压源电压的大小和控制电泳的时间来获得不同厚度的氧化石墨烯膜;将所获得的附着有氧化石墨烯膜的镍膜作为基底,通过浮游催化剂化学气相沉积法在氧化石墨烯表面和层与层之间生长垂直的碳纳米管阵列,获得了三维的三明治结构的石墨烯-碳纳米管复合电极材料。所获得的三维复合材料能直接作为超级电容器的电极材料,并且展现出了优异的电化学存储性能。单纯的炭材料对于提升超级电容器电化学存储性能,尤其能量密度还是很有限。因此,进一步通过电化学沉积的方法引入二氧化锰。二氧化锰具有较高的赝电容,但是导电性较差,石墨烯、碳纳米管正好能弥补二氧化锰差的导电性,两者优势互补。利用钛片作为基底,通过电沉积的方法制备二氧化锰纳米墙阵列,然后以沉积有二氧化锰纳米墙阵列的钛片作为基底,按照上述过程中相同的制备方法,引入石墨烯和碳纳米管,从而获得三维石墨烯-碳纳米管-二氧化锰的复合材料。如此制备的复合材料可以直接用作超级电容器的电极,电化学存储性能获得了很大程度地改善。导电聚苯胺不仅拥有优异的导电性,而且具有较高的赝电容。因此,进一步考虑用聚苯胺代替二氧化锰,从而制备三维纳米多孔的石墨烯-碳纳米管-聚苯胺的复合材料。简言之,在上述工作的基础上,进一步通过电聚合的方法沉积上可控的导电聚苯胺纳米棒或者纳米纤维。如此获得的三维复合材料不仅具有多孔特性,有利于电极材料和电解液的充分接触以及电解液离子的传输,而且拥有较大的比电容,是一种非常有潜力的超级电容器电极材料。随着柔性便携式电子设备的不断涌现,要求电极材料不但要轻,而且要有一定的柔性。因此,在设计三维石墨烯基复合材料的过程中,进一步构造了三维柔性的石墨烯基电极材料以满足日益增长的需求。在上述工作的基础上,将镍膜基底用柔性的炭纤维取代,然后采用同样的工艺流程制备了三维轻质、柔性的石墨烯-碳纳米管-炭纤维全纯炭复合电极材料。如此制备的电极材料用作超级电容器的电极,不仅具有良好的电化学存储性能,而且具有极好的柔韧性。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM53
【图文】：

超电容,超级电容器,电容器,双层电容器

第 1 章绪论级电容器的发展概况着化石燃料的枯竭和全球气候的变暖以及人们的环保意识逐渐增强，人们能源的开发利用变得更加迫切。电化学能源储存作为一种存储设备，被寄中包括锂离子电池、燃料电池、超级电容器等。超级电容器（又称为电者双层电容器）是一种综合电化学存储性能介于传统电容器和电池之间的：与传统电容器比拟具有更高的电容量和能量密度；与电池比拟则具有较，这一点可以从图 1-1(a)中清楚地看到。具体来讲，超级电容器具有以下放电速度快[9, 10]；效率高（>98%[11]）；循环稳定性好[12]；绿色环保[13]。这具有广泛的应用空间[14], 如图 1-1(b)所示。基于此，超级电容器受到各国泛关注，被视为未来一种很有潜力的绿色清洁能源。

存储器件,超级电容器,能源,二维金属

工的方法成功地制备了一种二维过渡金属碳化物的微型超级电容器[19]，如图1-2(b)所示。随后，该课题组又利用三维的泡沫镍作为集流体，通过激光打印技术成功地构造了三维共面的混合微型电容器[20]，如图 1-2(c)所示，其功率密度可达 200 μWh cm2，是目前报道的功率密度最高的微型超级电容器。美国德雷塞尔大学的 Gogotsi 课题组采用旋涂和激光切割相结合的方法成功地制备了一种基于过渡金属碳化物 Ti3C2Tx的全固态微型超级电容器[21]，如图 1-2(d)所示。北京纳米能源与系统研究所的胡卫国及王中林课题组利用激光刻蚀的方法成功地构造了一种基于纺织物的可穿戴平面微型超级电容器[22]，如图1-2(e)所示。韩国蔚山国家科学技术研究所的 Sang-Young Lee 教授课题组开发了一种利用商用喷墨打印机将电极打印于 A4 纸上的技术，从而获得了全固态超级电容器[23]

超级电容器,结构示意图,电解液,电极材料

第 1 章绪论e) Fabrication process and application display of new planar micro capacitor; (f) Manufacturing procesfull ink jet printed solid-state flexible supercapacitors.1.1 超级电容器的主要构造超级电容器的结构主要由电极材料、集流体、电解液和聚合物隔膜组成（见图 14]。集流器担当传输电荷和负载活性电极材料的双重作用。另外，正如上面所提到的解液也是能够影响超级电容器电化学存储性能的一个重要方面。目前，用于超级电的电解液主要包括四种类型：液体电解液（无机电解液和有机电解液[25-28]）、固态液[29, 30]、离子电解液[31, 32]、氧化还原电解液[33, 34]、混合电解液[35, 36]。电解液通过电荷进入电极材料表面和内部或者提供电子促使电极材料发生可逆的氧化还原反储能。电极材料是电化学反应的主要场所，它决定了超级电容器的电容、功率密度环稳定性等各种电化学特性。电极材料按照材料的类别可以分为：炭质材料[37, 38]、氧化物[39, 40]、导电聚合物[41, 42]。

【相似文献】