活性石墨烯/活性炭干法复合电极片制备及其在超级电容器中的应用
发布时间：2021-06-01 21:06
采用干法电极制备工艺成功制备了活性石墨烯/活性炭复合电极片,分别用扣式电容器和软包电容器考察活性石墨烯/活性炭复合电极的电化学性能。综合结果表明,复合电极中活性石墨烯的含量为10%（质量分数）较为合适,相较于纯活性炭电极,比容量提高了10.8%。本工作验证了活性石墨烯材料在商用超级电容器中的适用性,证实了活性石墨烯是一种非常具有实际应用价值的电极材料。但目前,活性石墨烯并未真正产业化,其成本远高于商用活性炭。在未来,如何解决活性石墨烯工程制备技术难题和降低成本是材料产业界亟待解决的难题。
【文章来源】：储能科学与技术. 2016,5(04)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
活性石墨烯SEM（a）和TEM图（b）；（c）活性石墨烯的氮气吸附脱附曲线
??┑谋缺砻婊??到2406m2/g，孔径分布在2～5nm，这与高分辨投射电镜[图1(b)]的结果是对应的。同时，这些孔径大小与电解液离子大小是匹配的。根据双电层超级电容器储能机理，具有合适孔径结构的高比表面积的电极材料更能发挥高的储能效果，前期的研究结果已经表明这种活性石墨烯是一种优异的电极材料[8]，但这种材料难以用传统的湿法涂布工艺制备电极片。2.2活性石墨烯/活性炭复合电极片形貌表征分析为了解决活性石墨烯电极片难以加工的问题，本实验采用不添加任何溶剂的“干法电极制备工艺”。具体过程如图2所示，由于PTFE具有良好的线性形变方式，使得其成为了“干法电极制备”过程唯一的黏结剂。具体来说，其制备是将活性炭、活性石墨烯、导电炭黑以及PTFE粉末预先均匀混合，将上述所得混合物进行“超强剪切”（PTFE发生由球形到线形的形变，使得炭黑与活性石墨烯、活性炭粘贴在黏结剂表面），紧接着将所得的干态混合物依次进行“垂直碾压形成炭膜”和“水平碾压”提高电极密度，在获得厚度均一的炭膜后将其与集流体通过导电胶粘贴在一起，加热固化后即可得到活性石墨烯/活性炭干法电极片。图2活性石墨烯/活性炭干法电极制备工艺示意图Fig.2Thedryprocessdiagramofactivatedgraphene/activatedcarbonpreparation图3(a)为10%（质量分数）活性石墨烯的复合干法电极片电子照片，图3(b)、3(c)为电极片在不同放大倍数下扫描电镜照片。从图中可以看出电极片中碳颗粒接触紧密，表明经过两步碾压过程能提高电极片的密度，能提高单体电容器中活性物质的
第4期郑超等：活性石墨烯/活性炭干法复合电极片制备及其在超级电容器中的应用年489图3（a）活性石墨烯/活性炭干法电极片电子照片，（b）和（c）干法电极片SEM图Fig.3(a)Pictureofactivatedgraphene/activatedcarbonelectrode;(b)(c)SEMimagesofelectrode含量。从图中也可以观察到活性石墨烯与活性炭颗粒尺寸较为接近，经过超高速剪切分散后，活性石墨烯在复合电极片中分散较好。高倍扫描电镜[图3(c)]照片进一步证实薄片状的活性石墨烯分散良好，连接活性炭颗粒，同时起到导电桥联的作用。2.3电化学性能表征分析为了考察复合电极片中活性石墨烯的含量对其储能性能的影响，我们首先选择扣式电容器评价不同比例的复合电极的电化学性能，从而快速筛选合适的配比。不同比例的石墨烯/活性炭扣式超级电容器倍率性能曲线如图4(a)所示。从图中可以发现活性石墨烯的添加可以显著提高电极的比容量，并且随着活性石墨烯含量的增大，复合电极的比容量逐渐增大。当复合电极中活性石墨烯的含量为10%（质量分数）时，在200mA/g的测试条件下其比容量为22F/g，相较于纯活性炭，比容量提高了10%；当活性石墨烯的含量为20%（质量分数）时，复合电极比容量为22.8F/g（电流密度200mA/g），相较于纯活性炭，比容量提高了14%；纯活性石墨烯电极在200mA/g的测试条件下比容量为24.3F/g，相较于纯活性炭，比容量提高了21.5%。测试结果证明活性石墨烯是一种优异的电极材料，其质量比容量远高于商用活性炭。但活性石墨烯的振实密度仅为0.2g/mL，低于活性炭的0.4g/mL，复合电极中活性石墨烯的含量过大，会影响复合电极的密度，限制体积密度的发挥。从测试数据也发现当活性石墨烯的含量超过10%（质量分数）时，比容量提高的趋势逐渐降低。另外，从成本角度考?
本文编号：3210153
【文章来源】：储能科学与技术. 2016,5(04)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
活性石墨烯SEM（a）和TEM图（b）；（c）活性石墨烯的氮气吸附脱附曲线
??┑谋缺砻婊??到2406m2/g，孔径分布在2～5nm，这与高分辨投射电镜[图1(b)]的结果是对应的。同时，这些孔径大小与电解液离子大小是匹配的。根据双电层超级电容器储能机理，具有合适孔径结构的高比表面积的电极材料更能发挥高的储能效果，前期的研究结果已经表明这种活性石墨烯是一种优异的电极材料[8]，但这种材料难以用传统的湿法涂布工艺制备电极片。2.2活性石墨烯/活性炭复合电极片形貌表征分析为了解决活性石墨烯电极片难以加工的问题，本实验采用不添加任何溶剂的“干法电极制备工艺”。具体过程如图2所示，由于PTFE具有良好的线性形变方式，使得其成为了“干法电极制备”过程唯一的黏结剂。具体来说，其制备是将活性炭、活性石墨烯、导电炭黑以及PTFE粉末预先均匀混合，将上述所得混合物进行“超强剪切”（PTFE发生由球形到线形的形变，使得炭黑与活性石墨烯、活性炭粘贴在黏结剂表面），紧接着将所得的干态混合物依次进行“垂直碾压形成炭膜”和“水平碾压”提高电极密度，在获得厚度均一的炭膜后将其与集流体通过导电胶粘贴在一起，加热固化后即可得到活性石墨烯/活性炭干法电极片。图2活性石墨烯/活性炭干法电极制备工艺示意图Fig.2Thedryprocessdiagramofactivatedgraphene/activatedcarbonpreparation图3(a)为10%（质量分数）活性石墨烯的复合干法电极片电子照片，图3(b)、3(c)为电极片在不同放大倍数下扫描电镜照片。从图中可以看出电极片中碳颗粒接触紧密，表明经过两步碾压过程能提高电极片的密度，能提高单体电容器中活性物质的
第4期郑超等：活性石墨烯/活性炭干法复合电极片制备及其在超级电容器中的应用年489图3（a）活性石墨烯/活性炭干法电极片电子照片，（b）和（c）干法电极片SEM图Fig.3(a)Pictureofactivatedgraphene/activatedcarbonelectrode;(b)(c)SEMimagesofelectrode含量。从图中也可以观察到活性石墨烯与活性炭颗粒尺寸较为接近，经过超高速剪切分散后，活性石墨烯在复合电极片中分散较好。高倍扫描电镜[图3(c)]照片进一步证实薄片状的活性石墨烯分散良好，连接活性炭颗粒，同时起到导电桥联的作用。2.3电化学性能表征分析为了考察复合电极片中活性石墨烯的含量对其储能性能的影响，我们首先选择扣式电容器评价不同比例的复合电极的电化学性能，从而快速筛选合适的配比。不同比例的石墨烯/活性炭扣式超级电容器倍率性能曲线如图4(a)所示。从图中可以发现活性石墨烯的添加可以显著提高电极的比容量，并且随着活性石墨烯含量的增大，复合电极的比容量逐渐增大。当复合电极中活性石墨烯的含量为10%（质量分数）时，在200mA/g的测试条件下其比容量为22F/g，相较于纯活性炭，比容量提高了10%；当活性石墨烯的含量为20%（质量分数）时，复合电极比容量为22.8F/g（电流密度200mA/g），相较于纯活性炭，比容量提高了14%；纯活性石墨烯电极在200mA/g的测试条件下比容量为24.3F/g，相较于纯活性炭，比容量提高了21.5%。测试结果证明活性石墨烯是一种优异的电极材料，其质量比容量远高于商用活性炭。但活性石墨烯的振实密度仅为0.2g/mL，低于活性炭的0.4g/mL，复合电极中活性石墨烯的含量过大，会影响复合电极的密度，限制体积密度的发挥。从测试数据也发现当活性石墨烯的含量超过10%（质量分数）时，比容量提高的趋势逐渐降低。另外，从成本角度考?
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