石墨烯基復(fù)合材料超級(jí)電容器的電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著市場應(yīng)用的多樣化，能量存儲(chǔ)設(shè)備在諸如消費(fèi)電子、交通、節(jié)能、綠色能源等領(lǐng)域中發(fā)揮著極大的作用。由于高功率密度、長循環(huán)壽命、寬工作溫度、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，超級(jí)電容器作為電池的補(bǔ)充設(shè)備，應(yīng)用到需要快速功率變化的領(lǐng)域。目前對(duì)超級(jí)電容器的研究還是集中于對(duì)電極材料的選擇和改性。石墨烯由于具有高導(dǎo)電性和大比表面積而成為一種優(yōu)異的電極材料。二元過渡金屬氧化物鈷酸鋅也是具有良好電化學(xué)性能的電極材料。本文選擇對(duì)石墨烯纖維及鈷酸鋅/石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行超級(jí)電

2、容器性能的研究，為它們市場應(yīng)用提供依據(jù)。本論文的研究內(nèi)容如下：
　　(1)石墨烯纖維電極電容性能的研究。我們利用微波輻照方法來制備石墨烯，通過調(diào)控微波時(shí)間來研究微波時(shí)間對(duì)石墨烯形貌、比表面積、還原程度以及電化學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微波時(shí)間會(huì)顯著影響石墨烯的形貌、比表面積、還原程度和電化學(xué)性能。隨著微波時(shí)間的增加，石墨烯片的卷曲程度加劇，導(dǎo)致比表面積不斷增大；還原程度也逐漸提高，使得石墨烯的導(dǎo)電性不斷增加。其中，當(dāng)微波處理時(shí)間

3、為6min時(shí)，樣品MW-6min表現(xiàn)出最優(yōu)的電化學(xué)性能，即在1A/g的電流密度下比電容可以達(dá)到110F/g，在30A/g的電流下其電容值依然能保持87％。樣品也表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在大電流密度30A/g下循環(huán)3000圈后還能保持90%的電容值。這些研究結(jié)果為石墨烯的組裝提供一定的參考。
　　(2)花狀鈷酸鋅/石墨烯復(fù)合電極電容性能的研究。雖然單一碳材料石墨烯表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但雙電層材料理論電容值比贗電容材料小得多。因此，我們

4、選擇石墨烯和贗電容材料復(fù)合作為電極材料，在保證良好機(jī)械性能的同時(shí)，來提高電極材料的比電容。我們通過簡單的水熱法制備花狀鈷酸鋅/石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過調(diào)控前驅(qū)體氧化石墨烯濃度，來研究氧化石墨烯濃度對(duì)鈷酸鋅/石墨烯復(fù)合電極電容性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氧化石墨烯濃度為1.75mg/mL，即石墨烯與鈷酸鋅的質(zhì)量比為1:4時(shí)，復(fù)合材料的電化學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，即在1A/g的電流密度下電容值達(dá)到670F/g，在30A/g的電流密度下還能保持5

5、20F/g的電容值。而且，氧化石墨烯濃度為1.75mg/mL花狀鈷酸鋅/石墨烯復(fù)合材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，即在充放電3000圈以后比電容還能保持原來的87%。故在本文在我們選擇濃度為1.75mg/mL氧化石墨烯與鈷酸鋅復(fù)合。由于石墨烯和鈷酸鋅間的相互協(xié)同作用，復(fù)合材料比單一鈷酸鋅在比電容、倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性方面也更有優(yōu)勢。
　　(3)陣列結(jié)構(gòu)鈷酸鋅/石墨烯電極電容性能的研究。通過水熱法制備了生長在泡沫鎳基底材料上的鈷酸鋅/石墨

6、烯陣列結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米陣列結(jié)構(gòu)的泡沫鎳/鈷酸鋅復(fù)合材料具有超高的比電容，在2M KOH溶液中比電容值在1A/g電流密度下能到達(dá)2400F/g。電極材料在30A/g大的電流密度下電容值還能保持82.7%，具有優(yōu)異的倍率性能。該材料在10A/g的電流密度下，循環(huán)3000圈以后電容值能還可以保持原來的86%，有著突出的循環(huán)穩(wěn)定性。復(fù)合材料有著優(yōu)異的儲(chǔ)能性能主要得益于納米陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。電極材料的陣列結(jié)構(gòu)在儲(chǔ)能過程中縮短了電子