石墨烯基柔性超级电容器复合电极材料的研究进展
发布时间：2021-11-20 09:35
近年来,便携式和可穿戴电子设备呈现出跨越式发展,为了使可穿戴电子器件更加灵活、轻巧、智能并完全实现产品化,就需进一步探求与之匹配的具有薄、轻、柔特点的储能装置。超级电容器由于具有功率密度高、循环寿命长、机械强度高、安全性好和易于组装等优点,受到研究者的广泛关注。然而,传统的超级电容器一旦受到外力发生变形,储能特性会极大降低甚至丧失。电极材料是电容器的核心部分,因此研制出高柔韧性和储能特性出众的电极材料是有必要的。石墨烯因具有大比表面积,优异的力学、电学性能而成为用于柔性超级电容器的有吸引力的电极材料。赝电容材料可提供高比电容,但其导电性差、稳定性低,因此研究者将石墨烯与赝电容材料相融合作为电极材料,充分发挥各自优势,不仅克服了石墨烯片层间易团聚的缺点,还可提高柔性超级电容器的整体能量密度。由于二维石墨烯片层易堆叠,电子传导能力受到限制,目前更多的研究工作致力于三维多孔网状结构的石墨烯材料。本文突出介绍了石墨烯的两个重要角色:（1）与电化学活性物质复合作为活性材料;（2）作为沉积活性物质的导电柔性基体。因此,功能多样化的石墨烯在制备柔性电极中有很大的潜力。通过化学沉积、浸涂、水热等工艺将...
【文章来源】：材料导报. 2020,34(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
超级电容器示意图
有研究表明,将PANI沉积在具有高表面积的基材上可以增强其表面积,进而提高比电容。Yu等[42]利用原位聚合法将垂直聚苯胺(PANI)纳米线均匀地沉积在层状多孔石墨烯泡沫(fRGO-F)上制得了fRGO-F/PANI电极材料,如图2所示。此研究中聚苯乙烯(PS)颗粒作为“间隔物”,可有效地避免RGO片聚集。以纤维素纸作为隔膜与电极组装好的对称型超级电容器的能量密度和功率密度为20.9 Wh/kg、103.2 kW/kg,该电容器在5 000次充放电循环后的电容保留率为88.7%,表现出优异的循环稳定性;其在弯曲角度约为180°条件下的CV曲线与弯曲前的没有明显变化,表明该材料具有出色的柔韧性。Yu等[43]以具有多孔网络结构的不锈钢织物(SSFS)为柔性基体,在其上先通过电化学还原氧化石墨烯制备了石墨烯/SSFS,再采用电化学聚合将苯胺聚合在石墨烯/SSFS上,得到电导率高、机械强度高及柔韧性好的石墨烯/聚苯胺复合电极材料。该复合电极与H2SO4/PVA凝胶电解质组成的全固态柔性超级电容器的最大比容量为1 506.6 mF/cm2,经5 000次充放电循环后,电容保持率可达92%。弯曲试验表明,经过1 000次弯曲后,柔性超级电容器保持了原来电容的95.8%。该超级电容器具有高比电容、优异的循环稳定性以及良好的弯曲性能。这项工作将促进柔性和可穿戴电子产品及集成织物电源设备的发展。
Ren等[47]通过化学气相沉积法和化学界面聚合法制备了石墨烯泡沫/聚吡咯复合材料,将其压制成致密的膜并转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底上得到可拉伸电极,将该电极与PVA/H3PO4凝胶电解质组装成可拉伸超级电容器,合成工艺如图4所示。该超级电容器在电流密度为1 mA/cm2时面积比电容为226 mF/cm2,电化学性能在0～180°弯曲变形下保持稳定。其中,吡咯在石墨烯表面的涂覆量为600 μL时,电容器表现出高能量密度,且在50%形变下具有良好的可拉伸性,这归结于石墨烯网络在伸长过程中可以保持PPy纳米颗粒之间的接触而免于快速断开。Moussa等[48]研究了导电聚合物有效去除氧化石墨烯(GO)中环氧基团的机理,即经过导电聚合物如PANI的两次质子转移来还原氧化石墨烯得到RGO。第一次质子转移,GO的C-O键被活化导致环氧开环,第二次转移为去环氧化过程促进C-O断裂,并提出纳米尺寸导电聚合物可发挥多重作用,即可作还原剂、间隔物和赝电容材料。他们采用简单的一步合成法分别制备出致密、柔韧和自支撑的聚苯胺纳米管/石墨烯、聚吡咯/石墨烯复合薄膜,制备流程如图5所示。其中,PANI-NT/石墨烯复合电极表现出较高的比电容323.1 F/g,将PANI/石墨烯复合膜通过氢碘酸(HI)进一步还原,HI可使膜变得更柔软和促进氧化还原反应进一步增加比电容,在相同条件下测试复合电极的电容可增加到513.5 F/g。这种新的制造工艺使石墨烯/导电聚合物复合材料可以为未来的储能装置提供重要的指导。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于碳材料的可伸缩型超级电容器的研究进展（英文）[J]. 张熙悦,张昊喆,林子琦,于明浩,卢锡洪,童叶翔. Science China Materials. 2016(06)
本文编号：3507052
【文章来源】：材料导报. 2020,34(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
超级电容器示意图
有研究表明,将PANI沉积在具有高表面积的基材上可以增强其表面积,进而提高比电容。Yu等[42]利用原位聚合法将垂直聚苯胺(PANI)纳米线均匀地沉积在层状多孔石墨烯泡沫(fRGO-F)上制得了fRGO-F/PANI电极材料,如图2所示。此研究中聚苯乙烯(PS)颗粒作为“间隔物”,可有效地避免RGO片聚集。以纤维素纸作为隔膜与电极组装好的对称型超级电容器的能量密度和功率密度为20.9 Wh/kg、103.2 kW/kg,该电容器在5 000次充放电循环后的电容保留率为88.7%,表现出优异的循环稳定性;其在弯曲角度约为180°条件下的CV曲线与弯曲前的没有明显变化,表明该材料具有出色的柔韧性。Yu等[43]以具有多孔网络结构的不锈钢织物(SSFS)为柔性基体,在其上先通过电化学还原氧化石墨烯制备了石墨烯/SSFS,再采用电化学聚合将苯胺聚合在石墨烯/SSFS上,得到电导率高、机械强度高及柔韧性好的石墨烯/聚苯胺复合电极材料。该复合电极与H2SO4/PVA凝胶电解质组成的全固态柔性超级电容器的最大比容量为1 506.6 mF/cm2,经5 000次充放电循环后,电容保持率可达92%。弯曲试验表明,经过1 000次弯曲后,柔性超级电容器保持了原来电容的95.8%。该超级电容器具有高比电容、优异的循环稳定性以及良好的弯曲性能。这项工作将促进柔性和可穿戴电子产品及集成织物电源设备的发展。
Ren等[47]通过化学气相沉积法和化学界面聚合法制备了石墨烯泡沫/聚吡咯复合材料,将其压制成致密的膜并转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底上得到可拉伸电极,将该电极与PVA/H3PO4凝胶电解质组装成可拉伸超级电容器,合成工艺如图4所示。该超级电容器在电流密度为1 mA/cm2时面积比电容为226 mF/cm2,电化学性能在0～180°弯曲变形下保持稳定。其中,吡咯在石墨烯表面的涂覆量为600 μL时,电容器表现出高能量密度,且在50%形变下具有良好的可拉伸性,这归结于石墨烯网络在伸长过程中可以保持PPy纳米颗粒之间的接触而免于快速断开。Moussa等[48]研究了导电聚合物有效去除氧化石墨烯(GO)中环氧基团的机理,即经过导电聚合物如PANI的两次质子转移来还原氧化石墨烯得到RGO。第一次质子转移,GO的C-O键被活化导致环氧开环,第二次转移为去环氧化过程促进C-O断裂,并提出纳米尺寸导电聚合物可发挥多重作用,即可作还原剂、间隔物和赝电容材料。他们采用简单的一步合成法分别制备出致密、柔韧和自支撑的聚苯胺纳米管/石墨烯、聚吡咯/石墨烯复合薄膜,制备流程如图5所示。其中,PANI-NT/石墨烯复合电极表现出较高的比电容323.1 F/g,将PANI/石墨烯复合膜通过氢碘酸(HI)进一步还原,HI可使膜变得更柔软和促进氧化还原反应进一步增加比电容,在相同条件下测试复合电极的电容可增加到513.5 F/g。这种新的制造工艺使石墨烯/导电聚合物复合材料可以为未来的储能装置提供重要的指导。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于碳材料的可伸缩型超级电容器的研究进展（英文）[J]. 张熙悦,张昊喆,林子琦,于明浩,卢锡洪,童叶翔. Science China Materials. 2016(06)
本文编号：3507052
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