胶束诱导石墨烯量子点组装高导电多孔炭的超级电容器性能研究

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超级电容器因充放电快、寿命长等优点,在便携式电子设备、电源备份、电动汽车等大功率器件中得到了广泛的应用。在实际应用中,超级电容器必须在有限的空间内安装。为了满足这一要求,需要尽可能增大电极上活性物质质量的负载,以提高器件的总能量密度。多孔炭因具有良好的双电层储能特性,在这一领域显示出巨大的应用潜力。但随着负载量的增加,离子迁移通道逐渐被堵塞。使得大部分炭材料的倍率性能迅速下降,这严重阻碍了多孔炭材料的实际应用。通过模板法可以对多孔炭的孔结构进行调控,但丰富的孔结构会破坏炭的整体导电网络,使多孔炭的导电性降低。针对以上存在的关键问题,本工作以石墨烯量子点为前驱体,嵌段式聚合物F127为软模板,通过简单的诱导自组装法制备了一种高导电多孔炭材料。探讨了嵌段式聚合物F127添加量以及KOH用量对多孔炭的形貌及电化学储能性能的影响规律,并对其高负载电容性能进行了研究。本论文的具体研究内容如下:1、研究了不同嵌段式聚合物F127添加量以及KOH用量对多孔炭的形貌及电化学储能性能的影响,发现随着嵌段式聚合物F127添加量的增加,样品的形貌由致密结构逐渐变为蚁巢结构;随着KOH用量的增加,样品表面的刻蚀程度越发严重,样品的比表面积逐渐增大。以sp2杂化的石墨烯量子点为前驱体,所制得多孔炭的导电性较好,是商业活性炭的两倍多。最优条件下样品的比表面积为1323 m2g-1,总孔体积为0.858 cm3g-1,中孔体积为0.176 cm3g-1,中孔孔径主要分布在30-50 nm,相互连接的中孔结构促进了离子传输动力学。2、随着嵌段式聚合物F127和KOH加入量的增加,样品的电化学储能性能先升高后降低,这主要归因于样品较高的导电性以及完整的互联中孔结构。最优条件下的样品在三电极体系中,电流密度为1 A g-1时,比容量为315 F g-1,在100 A g-1时,比容量为170 F g-1(容量保持率为54%)。将其组装成对称超级电容器,在1 A g-1电流密度下,比容量为270 F g-1,电流密度为100 A g-1时的容量保持率为56%。3、在高负载下测量了最优条件下样品的超级电容器性能,发现该样品在高质量负载下仍具有优异的电化学性能。在三电极体系中,当活性物质负载量为20mg cm-2时,在10 A g-1电流密度下,比容量为140 F g-1,面比容量高达2.8 F cm-2。在对称性超级电容器中,在活性物质负载量为20 mg cm-2时,在1 A g-1电流密度下面容量为商业活性炭的2倍,在商业负载量(10 mg cm-2)时,最大面比容量为2.49 F cm-2。组装成对称性超级电容器时,在功率密度为247.47 W kg-1时,最大能量密度为9.21 Wh kg-1。在20 mg cm-2的高负载量下,仍可保持6.45 Wh kg-1的高能量密度。此外,当活性物质负载量为10 mg cm-2时,在10 A g-1电流密度下循环10000圈,没有发生明显的能量衰减。以上结果表明,以高结晶性的石墨烯量子点为前驱体,制备的导电多孔炭具有较强的应用潜质。
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