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基于介孔结构氮掺杂石墨烯电极的微型超级电容器

现代生活中微型人工智能器件已必不可少,其中包括人体监测器件、植入式电子器件和微型机器人等。这些微型器件的应用和发展,不可或缺的是储能器件,而折叠性、质轻和高容量是对储能器件巨大挑战。在众多柔性储能器件中,纤维微型超级电容器因其充放电速度快、功率密度高、循环寿命长、体积小、柔性好、可编织等众多有点被重点关注。但是在实际应用中由于材料的不均匀性和少孔性,导致其表现出的能量密度低。

基于介孔结构氮掺杂石墨烯电极的微型超级电容器

图1a) N掺杂石墨烯的原理示意图 b) N-Doped MGFs材料合成示意图c) N-Doped MGFs照片 d) 与棉纤维编织完成的材料 e)纤维基micro-SC应用到电子器件的示意图

南京工业大学陈苏老师课题组,利用微流控制法合成出均一介孔结构的氮掺杂石墨烯材料(N-Doped MGFs)。分别用固态磷酸/聚乙烯醇(H3PO4/PVA)和1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/聚偏氟乙烯-六氟丙烯(EMIBF4/PVDF-HFP)做电解质,在俩种电解质中材料均表现出超高的比电容、超高稳定性和弯折耐用性

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图2 H3PO4/PVA做电解质micro-SC的电化学性能 a) CV曲线 b) 充放电曲线 c) 不同电流密度下的比电容 d) 阻抗图谱 e) 长循环 f) 弯折不同角度对应的比电容

在使用H3PO4/PVA电解质的情况下,作者将纯净的MGFs与N-Doped MGFs分别制备成微型超级电容器(micro-SCs),并检测其电化学性能。在0.1mA/cm2的电流密度下,N-Doped MGFs micro-SCs的比容电高达1132mF/cm2,是MGFs micro-SCs的2.7倍(415.3mF/cm2),而之前报道中碳纤维的最高比电容为304.5mF/cm2而当电流密度高达1mA/cm2后,N-Doped MGFs micro-SCs的比电容保持为520mF/cm2,循环10000次后电容保持为首次容量的97.1%,而MGFs micro-SCs的比电容仅为135mF/cm2。

基于介孔结构氮掺杂石墨烯电极的微型超级电容器

图3 EMIBF4/PVDF-HFP做电解质micro-SC的电化学性能 a) CV曲线 b) N-Doped MGFs micro-SCs充放电曲线 c) 不同电流密度下的比电容 d) micro-SC能量密度和功率密度的对应

使用EMIBF4/PVDF-HFP做电解质,电位窗为0-3V,在扫速为200mV/s时,N-Doped MGFs micro-SCs的CV曲线仍可以保持平行四边形,而且充放电的对称性很好,说明电荷在介孔纤维电极上的扩散速率足够好;在1mA/cm2的电流密度下,比电容高达306.3mF/cm2,在10mA/cm2的电流密度下,比电容保持为150.1mF/cm2。

基于介孔结构氮掺杂石墨烯电极的微型超级电容器

图4 a) micro-SC 集成到柔性织物中和不同的能源器件 b)不同能源器件需要的电流值

基于介孔结构氮掺杂石墨烯电极的微型超级电容器

 图5 a) 均一介孔纤维合成流程示意图 b)高比电容的micro-SC工作机理

随后作者将材料应用在可视-可听的电子器件中,证明以N-Doped MGFs 为电极材料的micro-SCs可作为支持能源替代微型电池。作者也对材料表现出如此好的电化学性能做出解释,材料的介孔结构形成开放的通道为离子的流动和电荷的转移提供极大的便利;掺杂N后的石墨烯为反应提供了更多的活性位点

参考文献

Guan Wu, Pengfeng Tan, Xingjiang Wu, Lu Peng, Hengyang Cheng, Cai-Feng Wang, Wei Chen, Ziyi Yu, Su Chen, High-Performance Wearable Micro-Supercapacitors Based on Microfluidic-Directed Nitrogen-Doped Graphene Fiber Electrodes, Adv. Funct. Mater. 2017, 1702493

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