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水热活化石墨烯纤维布用于高性能超级电容器

碳纺织材料由于其良好的导电性,灵活性和质量轻等特点被广泛应用在可穿戴储能装置中,特别是超级电容器与电池相比,超级电容器具有高能量密度、稳定的循环性能以快速充放电等优点,因而成为储能领域中一直关注的器件。目前碳纤维纺织电极有三种:碳涂层纺织材料,碳化纺织材料以及商业化的碳纤维布。虽然它们价格低廉,但是存在着容量低,循环稳定性差等缺点。因此,寻找具有更高电化学活性的碳纤维纺织电极是科学家们面临的挑战之一。

水热活化石墨烯纤维布用于高性能超级电容器

图1 (a)HAGFF的合成过程示意图;(b-c)HAGFF的TEM图。

水热活化石墨烯纤维布用于高性能超级电容器

图2 (a)GOFF的照片;(b)HAGFF的照片;(c)HAGFF处于弯曲状态的照片;(d-f)GOFF和(g-i)HAGFF在不同倍率下的SEM图。

近期,浙江大学高超教授课题组等人合成出一种新型碳纺织材料,石墨烯纤维布(GFF)。它是由石墨烯纤维组成的网状结构材料,具有优良的导电性和灵活性。其中,石墨烯的二维特性有助于精准调控GFF的微观结构,和通过活化过程提高材料的电化学活性。基于此,高超教授等人以水热方法活化石墨烯纤维布(GFF),合成出具有大比表面积,层状结构的水热活化石墨烯纤维织布(HAGFF),作为超级电容器电极,表现出优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊ACS Nano上。

水热活化石墨烯纤维布用于高性能超级电容器

图3 (a)在扫描速度10-100 mV/s下,HAGFF的CV 图;(b)在电流密度范围1 -10 mA/cm^2下,HAGFF的恒流充放电曲线;(c)在扫描速度20 mV/s下,HAGFF和GFF的cv图;(d)在电流密度5 mA/cm^2下,HAGFF和GFF的恒流充放电曲线;(e)HAGFF和GFF的质量比电容图;(f)HAGFF和GFF的面积比电容图;(g)HAGFF和GFF电极的拉贡图;(h)在电流密度1 A/g下,HAGFF电极的循环性能图;(i)不同厚度的HAGFF电极的面积比电容图。

以1 M H2SO4为电解液,用双电极体系测试HAGFF电极的电化学性能。在电流密度0.1 A/g下,HAGFF的质量比电容为244 F/g;在电流密度1 mA/cm^2下,HAGFF的面积比电容高达1060 mF/cm^2。将该材料应用在超级电容器中,具有超高的能量密度(23.5 μWh/cm^2)、功率密度(6.3 mW/cm^2)、优越的倍率性能和循环稳定性(循环5000次,比电容零衰减),层状的结构设计使得该材料具有了优秀的电化学性能。HAGFF因具有层状结构的特点,使其不仅仅用于超级电容器中,还可以用于燃料电池以及水分解系统中。此成果为以后合成碳纤维纺织电极提供了新的借鉴。

参考文献:

Zheng Li, Tieqi Huang, Weiwei Gao, Zhen Xu,Dan Chang, Chunxiao Zhang, and Chao Gao. Hydrothermally Activated GrapheneFiber Fabrics for Textile Electrodes of Supercapacitors, ACS Nano 2017,DOI: 10.1021/acsnano.7b05092.

 

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