柔性石墨烯基复合薄膜的制备与电容性能研究

发布时间：2017-03-23 16:25

  本文关键词：柔性石墨烯基复合薄膜的制备与电容性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：柔性超级电容功率密度大、循环寿命远大于二次电池，在柔性器件等领域具有广泛应用前景。但是，如何进一步提高柔性电极材料的倍率性能和比容是目前研究的热点。本文首先制备出石墨烯/炭黑(RGO/CB)复合薄膜，研究炭黑含量对石墨烯基复合薄膜的组织结构与电化学性能的影响；进而在石墨烯/炭黑复合薄膜表面通过恒流电沉积制备氧化锰薄膜，研究电沉积时间对氧化锰薄膜的组织形貌与电化学性能的影响，以此为基础制备并评价非对称器件的性能。 研究结果表明：氧化石墨烯/炭黑复合薄膜中炭黑的相对含量影响比容量与倍率性能。当氧化石墨烯/炭黑质量比为5:1.5时(RGO/CB-1.5)复合薄膜的比容量为83F/g，石墨烯薄膜的倍率性能和循环寿命显著提高。 石墨烯/炭黑复合薄膜在0.5M硫酸钠与1M硫酸电解液中呈现出不同的变化规律，RGO/CB-0.5在0.5M的硫酸钠电解液中性能最优异。石墨烯/炭黑复合薄膜在两种电解液中的不同性能取决于电解液与石墨烯/炭黑复合薄膜中孔洞的配合。石墨烯/炭黑复合薄膜中炭黑含量越高，片层之间的接触电阻越小，，形成的孔洞也越小。硫酸中的水和氢离子半径小于硫酸钠中的水和钠离子半径，因此氢离子可以在更小的孔洞中运动。因此，在硫酸当中，当炭黑含量为1.5mg时性能最佳，而在硫酸钠中炭黑含量为0.5mg时性能最佳。 石墨烯/炭黑复合薄膜的炭黑含量越高，经烘箱干燥之后的体积收缩越明显，炭黑阻塞石墨烯片层之间的孔洞也越明显。干燥后的石墨烯/炭黑复合薄膜中炭黑对倍率性能提高不明显，反而降低了比容量。 以0.1M醋酸锰为电解液，在石墨烯/炭黑复合薄膜表面通过恒流电沉积制备石墨烯/炭黑/氧化锰三元复合薄膜。电沉积10min时石墨烯/炭黑/氧化锰三元复合薄膜在三电极体系中，以0.5M的硫酸钠为电解液，扫描速率为5mV/s时比容达到108F/g，但电沉积15min后，比容下降到102F/g，电沉积时间越长，倍率性能越差。 两电极体系中，电沉积10min的三元复合薄膜在5mV/s扫描速率下比容达到141F/g，显著高于未电沉积的石墨烯/炭黑复合薄膜(67F/g)。此外，在500mV/s的扫描速率内，电沉积10min的三元复合薄膜的比容均高于石墨烯/炭黑二元复合薄膜。 以石墨烯/炭黑/氧化锰三元复合薄膜为正极材料，以石墨烯/炭黑二元复合薄膜为负极材料制备复合薄膜非对称超级电容，使其工作电位区间提高到1.6V。在1.6V的工作电压下，能量密度提高到5.98Wh/kg，功率密度达到1183W/kg。将两个超级电容器并联组装后，点亮了额定电压为3.2V的LED灯泡。
【关键词】：石墨烯 炭黑 复合薄膜 超级电容 氧化锰 倍率性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O613.71;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 超级电容简介12-14
• 1.3 石墨烯简介14-15
• 1.4 超级电容器电极材料分类15-21
• 1.4.1 碳材料15-18
• 1.4.1.1 石墨15-16
• 1.4.1.2 炭气凝胶16
• 1.4.1.3 碳纳米管16-17
• 1.4.1.4 石墨烯17-18
• 1.4.2 过渡金属氧化物电极材料18-21
• 1.4.2.1 氧化钌18-19
• 1.4.2.2 氧化锰19-20
• 1.4.2.3 氧化镍20
• 1.4.2.4 其他氧化物20-21
• 1.4.3 导电聚合物电极材料21
• 1.4.4 复合电极材料21
• 1.5 柔性超级电容电极材料的研究进展21-25
• 1.5.1 绝缘支撑体柔性电极材料21-22
• 1.5.2 碳纤维基柔性电极材料22
• 1.5.3 石墨烯基柔性电极材料22-25
• 1.6 课题研究内容25-27
• 第2章 试验材料及方法27-33
• 2.1 试验材料及试剂27-28
• 2.2 物理化学表征方法28-29
• 2.2.1 X 射线衍射物相分析(XRD)28
• 2.2.2 X 射线光电子谱仪(XPS)28
• 2.2.3 扫描电子显微镜(SEM)28-29
• 2.2.4 拉曼光谱29
• 2.3 电化学表征方法29-33
• 2.3.1 超级电容器的组装29-30
• 2.3.2 循环伏安测试(CV)30-31
• 2.3.3 恒流充放电测试31
• 2.3.4 电化学阻抗谱(EIS)31-33
• 第3章 柔性石墨烯/炭黑复合薄膜超级电容电极材料33-61
• 3.1 引言33
• 3.2 柔性石墨烯薄膜的制备33-38
• 3.2.1 不同还原时间的石墨烯薄膜制备33
• 3.2.2 不同还原时间石墨烯薄膜的性能表征33-38
• 3.3 石墨烯/炭黑复合薄膜的制备与性能38-54
• 3.3.1 炭黑的分散38-39
• 3.3.2 制备石墨烯/炭黑复合薄膜39-40
• 3.3.3 石墨烯、石墨烯/炭黑复合薄膜的截面形貌分析40-43
• 3.3.4 复合薄膜的电化学性能43-49
• 3.3.5 复合薄膜在硫酸钠电解液中的性能49-54
• 3.4 干燥对复合薄膜的性能影响54-59
• 3.4.1 干燥后的石墨烯/炭黑复合薄膜的形貌变化54-56
• 3.4.2 干燥石墨烯薄膜和石墨烯水凝胶薄膜的拉曼光谱分析56
• 3.4.3 干燥的复合薄膜的电化学性能56-59
• 3.5 本章小结59-61
• 第4章 石墨烯/炭黑/氧化锰超级电容电极材料61-75
• 4.1 引言61
• 4.2 石墨烯/炭黑/氧化锰复合薄膜的制备61
• 4.3 氧化锰薄膜的组织结构分析61-65
• 4.4 三元复合薄膜的电化学性能65-71
• 4.4.1 三元复合薄膜三电极体系性能65-68
• 4.4.2 三元复合薄膜两电极体系性能68-71
• 4.5 复合薄膜非对称超级电容器71-73
• 4.5.1 复合薄膜非对称超级电容器的结构71
• 4.5.2 复合薄膜非对称超级电容器的电化学性能71-73
• 4.6 本章小结73-75
• 结论75-76
• 参考文献76-81
• 攻读学位期间发表的论文81-83
• 致谢83

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