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Adv. Funct. Mater. :多层折叠石墨烯条带薄膜用于超高面容量和倍率特性可压缩超级电容器

【引言】

超级电容器由于其优越的功率密度和长的寿命而引起越来越多的关注。石墨烯,由于其高比表面积、良好的导电性和机械强度,被认为是最具有前景的超级电容器电极材料之一。然而,(1)由于石墨烯片层间具有较强的分子间范德华力,在电极制备和电化学充放电循环过程中极易团聚,大大降低了其比表面积利用率,也阻碍了电解液离子的层间扩散,更重要的随着石墨烯基电极材料厚度的增加,电解液离子在其径向上的传输和扩散也受到了严重的制约,使其电化学性能显著降低,导致电极单位面积负载量有限(0.5-2 mg/cm2),面积比容量较低,不利于商业化应用;(2)石墨烯材料的堆积密度较低(<0.5 g/cm),从而导致其体积比容量极低

【成果简介】

近日针对以上问题,哈尔滨工程大学范壮军教授(通讯作者)课题组开发出一种基于石墨烯条带的可压缩、厚度可调的膜电极材料(F-GRF)。不同于传统以石墨烯纳米片为前驱体的石墨烯基膜材料,该工作以相互交联的带状氧化石墨烯条带(IGOR)为前驱体,结合简单的刮涂方法、热处理以及连续折叠和压缩过程制备出可压缩的致密膜材料。当其用于超级电容器电极材料时,由于该材料的表面有大量褶皱和边缘可以为离子传输提供快捷的通道,从而极大地加快了电解液离子在整个F-GRF膜的传输速率。在21 mg/cm2面质量负载下,该膜具有6700 mF/cm2超高的面容量和较高的质量/体积比容量(318 F/g,293 F/cm3),以及优异的循环稳定性(40,000次循环后容量几乎不变)。此外,基于F-GRF电极,作者开发了具有可压缩特性的对称超级电容器,其面能量密度可达0.52 mWh/cm2。相关成果以题为Multilayer-Folded Graphene Ribbon Film withUltra-High Areal Capacitance and High Rate Performance for CompressibleSupercapacitors发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。

图文导读   

Adv. Funct. Mater. :多层折叠石墨烯条带薄膜用于超高面容量和倍率特性可压缩超级电容器  

 图1. F-GRF的合成示意图。

Adv. Funct. Mater. :多层折叠石墨烯条带薄膜用于超高面容量和倍率特性可压缩超级电容器

图2.(a)IGOR的SEM图像,(b)大面积IGOR膜的展示照片,(c, d)照片展示GRF表现出良好的柔韧性,并可折叠和剪切成设计的形状,(e,f)GRF膜和释放10 MPa压力后F-GRF的截面SEM图像,(g, h)F-GRF和(i)F-GF的表面SEM图像。

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图3.F-GRF电极材料的电化学性能;(a)面负载为9 mg/cm2时F-GRF的CV曲线,(b)10 A/g时,F-GRF和F-GF不同面负载下iR降的对比,(c)不同面负载下,F-GRF在2至100 mV/s下的倍率性能,(d)200 mV/s时,不同质量负载下F-GRF和F-GF电极的质量比容量对比,(e)F-GRF与其他碳基材料的质量比容量对比,(f)F-GRF与其他碳基膜电极材料的体积和质量比容量对比。

 Adv. Funct. Mater. :多层折叠石墨烯条带薄膜用于超高面容量和倍率特性可压缩超级电容器

图4 (a)电容器重要指标(质量/体积/面积比容量)之间关系,(b)F-GRF和F-GF电极面积比容量和面负载量之间的关系曲线,(c)F-GRF电极(21mg/cm2)倍率曲线,(d)F-GRF电极(21mg/cm2)的面积/体积/质量比容量与之前报道的碳基材料比较图,(e)循环寿命曲线。(f)不同面负载量下的F-GRF电极的阻抗谱图,F-GRF和F-GF的(g)电荷转移电阻(Rct, Ω)和(h)弛豫时间(τ0, s)对比。Adv. Funct. Mater. :多层折叠石墨烯条带薄膜用于超高面容量和倍率特性可压缩超级电容器

图5 (a)F-GRF//F-GRF对称电容器的拉贡曲线与部分文献报道的电容器的面积能量密度对比,(b)不同应变下的F-GRF//F-GRF对称电容器装置,(c)GRF//GRF柔性全固态超级电容器在不同弯曲度时的CV曲线(插图为不同弯曲度),(d)三个串联的GRF//GRF柔性全固态超级电容器作为电源驱动三个并联的LED灯。

 【材料制备过程】

条带石墨烯薄膜(GRF):首先,采用“快速喷雾冰冻”方法制备出条带状氧化石墨烯,浓度被设计为15mg/mL。然后,将IGOR浆体倾倒至聚四氟乙烯(PTFE)模具上,用PTFE棒将其涂覆均匀,放置于室温环境中干燥24h。最后将干燥的IGOR膜从PTFE模具上小心剥离下来,在氮气气氛下热处理2h,热处理温度和升温速率分别为300 ℃和2 ℃/min,所获得的条带石墨烯膜标记为GRF。

多层折叠的条带石墨烯膜(F-GRF):将获得的GRF薄膜切成宽1 cm的条带,然后,将GRF条带连续折叠成厚膜(面积1×1 cm2),厚度按所需设计。最后,将多层折叠的GRF薄膜在10 MPa压力下压缩,直接作为超级电容器的电极材料,标记为F-GRF。

为了对比,以氧化石墨烯GO为原料,用同样的方法制备出了石墨烯薄膜和多层折叠的石墨烯膜,分别标记为GF和F-GF。

该研究成果获得国家自然科学基金项目(No.51672055),国家万人领军人才计划,中央高校博士研究生科研创新基金专项(No.HEUGIP201712),黑龙江省自然科学基金(No.LC2016017)的大力支持。

Lizhi Sheng, Jin Chang, Lili Jiang, Zimu Jiang, Zheng Liu, Tong Wei, Zhuangjun Fan, Multilayer-folded graphene ribbon film with ultra-high areal capacitance and high rate performance for compressible supercapacitors, Advanced Functional Materials, (2018), DOI:10.1002/adfm.201800597

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