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科学家剥离出超级电容器石墨烯纳米复合膜
来源:中国粉体技术网    更新时间:2017-01-06 09:02:25    浏览次数:
 
       柔性、微型能源储存装置由于其柔韧和轻便等特点,在可穿戴电子设备、智能皮肤和便携式智能手机等方面展现出巨大的应用前景。其中,柔性的全固态超级电容器具有结构简单、制作方便、功率密度高、充放电快速、以及循环寿命长等优点,成为了能源储存器件的研究重点。
       目前,全固态超级电容器主要包含两种结构:传统的三明治结构的固态超级电容器和平面结构的微型超级电容器。而高性能的超级电容器的电极材料需要有较好的电化学稳定性、较高的电导率和优异的电容性能。
      作为一种新型的过渡金属碳化物(一个过渡金属和一个第三或第四族的元素(如Al、Ge、Si等)以及碳或氮元素组成的化合物),MXene(如Ti3C2Tx)因其特有的二维层状结构、较高的导电性以及化学稳定性和热稳定性,广泛地应用在锂离子电池、超级电容器和电催化反应中。然而研究发现,MXene的尺寸(≈200 nm)相对较小,不利于构建高性能、柔性的大面积薄膜型全固态超级电容器电极。
       近日,德累斯顿工业大学冯新亮和中科院牛利等人制备了基于MXene和电化学剥离的石墨烯纳米复合物薄膜电极,并将其应用到传统的固态超级电容器和平面的微型超级电容器中。
该复合膜具有两方面的优势:
      (1)电化学剥离的高质量的石墨烯层可以作为整个膜电极的机械支架,进一步的增强膜电极整体的柔性、稳定性和长程导电性;
      (2)MXene纳米片穿插在石墨烯片层之间,可以提供大量的层间距,有利于充放电过程中离子的快速嵌入和脱嵌。

 
石墨烯纳米复合材料
       得到的膜电极在组装成传统对称柔性超级电容器后,在0.1 A cm-3的电流密度时,其体积电容高达216 F cm-3,同时在2500次充、放电循环后,比容量仍能保持85.2%。另外,通过掩膜版喷涂溶液相的MXene/电化学剥离石墨烯墨水制备的叉指状微型超级电容器,在5 mV s-1的循环伏安扫描速度下,其面积电容和体积电容分别高达3.26 mF cm-2和33 F cm-3,这些性能指标高于目前大部分同类文献所报道的数值。
        随后,对此微超级电容器进行弯折的柔性状态下进行循环测试,在2500次循环充放电之后,其电容性能依然可以保持82%。值得关注的是,在该研究中,研究人员利用自制的电化学剥离装置制备出的电剥离石墨烯具有高产率,高碳氧比和高分散性等特点。
  该研究通过电极结构的优化设计,利用简单的方法制备了高性能的超级电容器电极材料,这为制备低成本、高效率的柔性储能器件开辟了一条新思路。


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