柔性石墨烯基复合薄膜的制备与电容性能研究

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柔性超级电容功率密度大、循环寿命远大于二次电池,在柔性器件等领域具有广泛应用前景。但是,如何进一步提高柔性电极材料的倍率性能和比容是目前研究的热点。本文首先制备出石墨烯/炭黑(RGO/CB)复合薄膜,研究炭黑含量对石墨烯基复合薄膜的组织结构与电化学性能的影响;进而在石墨烯/炭黑复合薄膜表面通过恒流电沉积制备氧化锰薄膜,研究电沉积时间对氧化锰薄膜的组织形貌与电化学性能的影响,以此为基础制备并评价非对称器件的性能。研究结果表明:氧化石墨烯/炭黑复合薄膜中炭黑的相对含量影响比容量与倍率性能。当氧化石墨烯/炭黑质量比为5:1.5时(RGO/CB-1.5)复合薄膜的比容量为83F/g,石墨烯薄膜的倍率性能和循环寿命显著提高。石墨烯/炭黑复合薄膜在0.5M硫酸钠与1M硫酸电解液中呈现出不同的变化规律,RGO/CB-0.5在0.5M的硫酸钠电解液中性能最优异。石墨烯/炭黑复合薄膜在两种电解液中的不同性能取决于电解液与石墨烯/炭黑复合薄膜中孔洞的配合。石墨烯/炭黑复合薄膜中炭黑含量越高,片层之间的接触电阻越小,形成的孔洞也越小。硫酸中的水和氢离子半径小于硫酸钠中的水和钠离子半径,因此氢离子可以在更小的孔洞中运动。因此,在硫酸当中,当炭黑含量为1.5mg时性能最佳,而在硫酸钠中炭黑含量为0.5mg时性能最佳。石墨烯/炭黑复合薄膜的炭黑含量越高,经烘箱干燥之后的体积收缩越明显,炭黑阻塞石墨烯片层之间的孔洞也越明显。干燥后的石墨烯/炭黑复合薄膜中炭黑对倍率性能提高不明显,反而降低了比容量。以0.1M醋酸锰为电解液,在石墨烯/炭黑复合薄膜表面通过恒流电沉积制备石墨烯/炭黑/氧化锰三元复合薄膜。电沉积10min时石墨烯/炭黑/氧化锰三元复合薄膜在三电极体系中,以0.5M的硫酸钠为电解液,扫描速率为5mV/s时比容达到108F/g,但电沉积15min后,比容下降到102F/g,电沉积时间越长,倍率性能越差。两电极体系中,电沉积10min的三元复合薄膜在5mV/s扫描速率下比容达到141F/g,显著高于未电沉积的石墨烯/炭黑复合薄膜(67F/g)。此外,在500mV/s的扫描速率内,电沉积10min的三元复合薄膜的比容均高于石墨烯/炭黑二元复合薄膜。以石墨烯/炭黑/氧化锰三元复合薄膜为正极材料,以石墨烯/炭黑二元复合薄膜为负极材料制备复合薄膜非对称超级电容,使其工作电位区间提高到1.6V。在1.6V的工作电压下,能量密度提高到5.98Wh/kg,功率密度达到1183W/kg。将两个超级电容器并联组装后,点亮了额定电压为3.2V的LED灯泡。
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