石墨烯基復合電極材料制備及其電化學性能和力學穩(wěn)定性研究.pdf

1、超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種新型儲能器件，具有功率密度大、充電速度快、循環(huán)壽命長、對環(huán)境污染小等優(yōu)點，鑒于其諸多優(yōu)點，超級電容器可廣泛應用于電動汽車、航空航天、國防科技、信息交通、軍事工業(yè)等多個領域。然而電極材料的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命等決定著超級電容器性能的最關鍵因素，因此提高電極材料的性能是制造高質量超級電容器的核心。
　　本文針對超級電容器的結構設計、電極材料制備和電化學性能分析以及電極材料的力學穩(wěn)定性等

2、方面進行了研究，主要研究結果和創(chuàng)新點如下：
　　（1）本文在分析超級電容器結構原理的基礎上，設計了一種層疊式結構的超級電容器，并以該超級電容器核心電極材料為對象，提出了采用磁控濺射法在鎳泡沫上濺射沉積石墨烯的新工藝方法，分別進行了石墨烯/鎳泡沫、石墨烯/四氧化三鈷/鎳泡沫和石墨烯/氫氧化鎳/鎳泡沫三種電極材料的制備工藝及性能研究。
　　（2）采用磁控濺射工藝在鎳泡沫（Ni Foam，簡稱NF）集流體上濺射石墨烯薄膜，制備得到

3、三維石墨烯/鎳泡沫(Dimensional Graphene/Ni Foam，簡稱3D-G/NF)復合電極材料。研究了不同濺射溫度和濺射時間等工藝參數對3D-G/NF電極材料的結構、微觀形貌和電化學性能的影響規(guī)律。研究結果表明：①射頻磁控濺射方法在NF上制備3D-G/NF復合電極材料是一種新的工藝探索，它無需添加任何導電劑、聚合物粘合劑，可直接在NF上制備得到3D-G/NF復合電極材料，相對于傳統(tǒng)化學法，制備工藝簡單，石墨烯與鎳泡沫之間

4、附著力較好；且它相對于傳統(tǒng)CVD方法，制備溫度低，對基底材料結構沒有要求。②在600℃下濺射40min時，得到了性能優(yōu)異的3D-G/NF復合電極材料，當電流密度為1.0mA/cm2時，所制電極材料的比電容量達到2.45F/cm2，顯示了高比容量、良好的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性的特性。
　?。?）通過水熱和煅燒法制得四氧化三鈷/鎳泡沫（Co3O4/Ni Foam，簡稱Co3O4/NF）材料，并以Co3O4/NF復合電極材料為基底，進一步

5、采用射頻磁控濺射法制得石墨烯/四氧化三鈷/鎳泡沫（Graphene/Co3O4/Ni Foam，簡稱G/Co3O4/NF）復合電極材料。研究表明：①生長在鎳泡沫上Co3O4的形貌受反應時間的影響，進而影響其電化學性能，反應10h得到的Co3O4/NF復合電極材料，其Co3O4為纖維狀陣列結構，具有優(yōu)異的比電容（在電流密度為1.0mA/cm2下，比電容0.45F/cm2）和良好的電化學穩(wěn)定性（在電流密度為1.0mA/cm2下，經過1000

6、次循環(huán)試驗后比電容量保持95.6％）。②沉積石墨烯得到的G/Co3O4/NF，比Co3O4/NF復合電極材料性能更優(yōu)異，在電流密度為1.0mA/cm2，該材料的比電容量為0.67F/cm2，相對于Co3O4/NF，比電容量提高了近49%。
　?。?）采用水熱法及磁控濺射法制備氫氧化鎳/鎳泡沫（Ni(OH)2/NF）和石墨烯/氫氧化鎳/鎳泡沫（G/Ni(OH)2/NF）復合電極材料，研究了水熱反應時間和磁控濺射石墨烯對其微觀結構和電

7、化學性能的影響規(guī)律。研究表明：①當水熱溫度為180℃，水熱時間為24h時，在電流密度為1.0mA/cm2下，Ni(OH)2/NF比電容達到1.2F/cm2，并且該材料還具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。②磁控濺射沉積石墨烯后，形成的G/Ni(OH)2/NF復合電極材料的性能大大提高，將石墨烯濺射沉積到水熱反應時間為8h的Ni(OH)2/NF的前驅體上，所得到的G/Ni(OH)2/NF8h具有良好的比電容性能和循環(huán)壽命，它相對于Ni(OH)2/NF8

8、h復合電極材料，比電容提高了16倍，進一步說明在傳統(tǒng)電極材料上沉積石墨烯，可有效提高電極材料的電化學存儲性能。
　?。?）以復合材料的層合板理論和有限元模態(tài)分析理論為研究基礎，探索研究了石墨烯薄膜/鎳泡沫（G/NF）復合電極材料的力學穩(wěn)定性。對不同厚度石墨烯薄膜的G/NF復合電極材料的應力、應變和位移及模態(tài)進行了有限元分析。研究表明：①在石墨烯薄膜厚度為100nm電極復合材料上施加0.1N的力載荷，其應力達到171MPa，遠大于薄