低阻抗石墨烯-Al電極材料的制備及其電學(xué)性能研究.pdf

1、憑借其環(huán)境友好、能量密度高、充放電效率快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，超級(jí)電容器成為一種理想的新型儲(chǔ)能元件。巨大的比表面積使石墨烯材料廣泛地應(yīng)用在超級(jí)電容器活性物質(zhì)材料上，但是傳統(tǒng)的制備工藝和方法仍不可避免地造成石墨烯之間的堆疊，從而導(dǎo)致其巨大比表面積的優(yōu)勢(shì)喪失，影響石墨烯片層間的電荷傳輸。同時(shí)，Al作為理想的低成本超級(jí)電容器的集電極材料，與廣泛使用的Ni和Fe集電極相比，具有更好的導(dǎo)電性、更低的密度和成本。但是，由于Al集電極容易被氧化

2、，其表面致密的氧化層導(dǎo)致與活性物質(zhì)的接觸電阻較高，嚴(yán)重限制了其在石墨烯基超級(jí)電容器上的應(yīng)用。本文將針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題，通過(guò)引入等離子體刻蝕、原位制備垂直生長(zhǎng)石墨烯、化學(xué)處理構(gòu)造三維結(jié)構(gòu)基底、調(diào)控電解液與活性物質(zhì)之間的潤(rùn)濕性以及復(fù)合高比電容值的金屬氧化物等途徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低阻抗、低成本石墨烯-Al電極材料。
　　為了降低Al集電極與活性物質(zhì)之間的接觸電阻，采用等離子體表面處理方法，減少Al集電極表面的氧化膜，同時(shí)為了避免暴露大氣再氧化，

3、采用PECVD方法在表面改性后的Al表面上原位制備垂直生長(zhǎng)石墨烯(VFG)，進(jìn)而在VFG和Al集電極之間形成Al4C3和C層，可以極大地優(yōu)化電荷傳輸路徑和降低接觸電阻。由于Al集電極表面表面包覆了C層以及VFG，可以有效地避免Al和水系電解液的相互反應(yīng)，極大地?cái)U(kuò)展了VFG-Al電極材料在水系電解液中的應(yīng)用。
　　為了進(jìn)一步提高VFG-Al電極的比電容值，我們通過(guò)化學(xué)處理的方法對(duì)普通平面結(jié)構(gòu)的Al集電極材料進(jìn)行刻蝕處理，在Al集電極

4、材料表面形成三維多孔結(jié)構(gòu)，形成獨(dú)特的三維多孔-Al集電極材料(3D-Al)。采用PECVD法在3D-Al表面原位制備垂直生長(zhǎng)石墨烯(VFG)，得到三維混合結(jié)構(gòu)石墨烯-Al集電極材料(VFG/3D-Al)。通過(guò)引入三維結(jié)構(gòu)Al集電極材料，可以提高單位面積的活性物質(zhì)的質(zhì)量，同時(shí)垂直取向的石墨烯納米片可以優(yōu)化電荷傳輸路徑，顯著地?cái)U(kuò)大了垂直生長(zhǎng)石墨烯(VFG)與電容器電解液間的接觸面積，進(jìn)而獲得更優(yōu)異的電化學(xué)性能。通過(guò)探究VFG材料在水系電解液

5、和有機(jī)電解液中的潤(rùn)濕性和其比電容之間的關(guān)系，表明有機(jī)電解液中VFG材料潤(rùn)濕性優(yōu)于水系電解液中，其電容值在有機(jī)電解液中可高達(dá)1398μF/cm2。
　　為了將雙電層電容和贗電容相結(jié)合，進(jìn)而提高其比電容值，我們通過(guò)水熱合成方法在VFG表面原位生長(zhǎng)MnO2納米片，進(jìn)而得到MnO2/VFG-Al復(fù)合電極材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MnO2/VFG-Al復(fù)合電極材料具有獨(dú)特的三維多孔開(kāi)放性結(jié)構(gòu)，并可充分利用MnO2與VFG兩者在儲(chǔ)能性能、電學(xué)性能以