印制式石墨烯电极及其在微型超级电容器中的应用研究

发布时间：2017-08-01 23:23

  本文关键词：印制式石墨烯电极及其在微型超级电容器中的应用研究

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【摘要】：随着现代电子技术不断的发展,大量工作集中于可穿戴、便携式设备的研究。由于微型超级电容器具有充放电速率快、循环寿命长、功率密度高等优点,柔性、微型超级电容器受到人们越来越多的关注。目前,研究工作主要通过合成功能化的电极材料,设计新颖的电极结构,开发简单的制备工艺等方法,不断推动微型超级电容器的进步。但在大量的电极材料、电极结构、制备工艺中,选择一条科学的、协同的、高效的研究路径来制备高性能的微型超级电容器成为一项新的挑战。本文利用叉指结构电极,结合具有优异电导性能和较高比表面积的石墨烯电极材料,致力于印制式石墨烯电极及其在微型超级电容器中的应用研究。首先,在电极材料的合成过程中,利用氢氧化镁(Mg(OH)2)模板辅助法,在石墨烯纳米片表面上制造大量的褶皱,进一步在石墨烯层间构筑孔状结构。一方面,这样的结构有效的阻止石墨烯团聚,增加电解质离子的运输渠道,有利于电解质离子充分接触石墨烯,从而增加双电层电容;另一方面,更多的含氧官能团暴露在电解质溶液中,从而增加法拉第赝电容。在凹版印刷过程中,利用石墨烯油墨,印刷叉指电极图案。通过对油墨稳定性、印刷速度、印刷次数的研究,使柔性衬底负载更多的电极材料,从而提高微型超级电容器的电化学性能。其次,利用表面褶皱石墨烯油墨,结合凹版印刷工艺,制备柔性、叉指结构微型超级电容器。经过电化学测量,单个器件获得最大能量密度1.41 mWh cm-3(能量密度为25 mW cm-3),最大功率密度300 mW cm-3(能量密度为0.35 mWh cm-3),以及稳定的循环寿命和优异的弯曲性能。此外,利用微型超级电容器组,连接成两组串连、两组并连的电路,分别驱动单个红色发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD),持续工作10秒、35秒。在本课题中,我们利用模板辅助法合成的表面褶皱石墨烯油墨,结合低成本、易操作的凹版印刷技术,制备出了可演示的柔性、微型超级电容器。本工作具有以下三方面特色:(1)由于Mg(OH)2模板的辅助作用,有效的阻止了石墨烯团聚,增加电解质离子运输渠道和含氧官能团数量,从而提高微型超级电容器的电容;(2)利用可兼容柔性衬底的凹版印刷工艺,使得微型超级电容器的制备工艺简单、无污染;(3)利用高性能的柔性、叉指结构微型超级电容器组,结合耗能器件,可以进行应用演示。综上所述,这条科学的探索路径为全印制式石墨烯基的柔性、微型超级电容器的潜在应用提供有价值的实验探索。
【关键词】：微型超级电容器 表面褶皱石墨烯油墨 凹版印刷 柔性
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM53
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 微型超级电容器10-13
• 1.2.1 原理与结构11-12
• 1.2.2 微型超级电容器的特点12-13
• 1.3 纳米碳基微型超级电容器电极材料13-15
• 1.3.1 活性炭13-14
• 1.3.2 碳纳米管14
• 1.3.3 石墨烯14-15
• 1.4 印刷技术15-17
• 1.4.1 喷墨印刷15-16
• 1.4.2 丝网印刷16
• 1.4.3 凹版印刷16-17
• 1.5 研究内容与意义17-18
• 第二章 实验部分18-24
• 2.1 实验材料18-19
• 2.2 实验设备19-20
• 2.3 表征方法20-22
• 2.3.1 光学显微镜20
• 2.3.2 扫描电子显微镜20
• 2.3.3 X射线衍射分析20-21
• 2.3.4 X射线电子能谱分析21
• 2.3.5 透射电子显微镜21
• 2.3.6 厚度表征21-22
• 2.4 电化学性能测试22-24
• 2.4.1 循环伏安测试22
• 2.4.2 恒电势充放电测试22
• 2.4.3 交流阻抗测试22-24
• 第三章 微型超级电容器制备及其凹版印刷工艺24-36
• 3.1 石墨烯基微型超级电容器的制备25-30
• 3.1.1 GO与Mg(OH)2插层26-27
• 3.1.2 低温热还原氧化石墨烯27-28
• 3.1.3 还原氧化石墨烯表征28-29
• 3.1.4 制备表面褶皱石墨烯油墨29
• 3.1.5 制备微型超级电容器及合成电解质溶液29-30
• 3.2 凹版印刷工艺30-36
• 3.2.1 印刷工艺对电极材料的影响31-32
• 3.2.2 印刷技术32-36
• 第四章 印制式微型超级电容器的性能及其应用36-45
• 4.1 单个器件的性能36-41
• 4.1.1 电化学性能测试37-40
• 4.1.2 循环性能和弯曲性能测试40-41
• 4.2 微型超级电容器的应用研究41-45
• 4.2.1 微型超级电容器组的电化学性能测量42-43
• 4.2.2 微型超级电容器的应用43-45
• 第五章 总结与展望45-47
• 参考文献47-51
• 攻读学位期间取得的研究成果51-52
• 致谢52

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本文编号：606695