改性石墨烯纤维在超级电容器中的应用

• 作 者: 孟洁
• 机 构: 东华大学
• 出 处: 东华大学
• 发表日期: 2019年期
• 关键词: 石墨烯纤维

可穿戴设备是当代科学技术高速发展的产物，储能材料和器件是便携式和可穿戴电子设备的核心部件之一。超级电容器具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好等优点。纤维状能源器件质量更轻、柔性更好、集成度更高，同时可以像高分子纤维一样，通过纺织技术进行大规模应用。碳基材料具有优良的物理化学性能，具有简单易得、廉价环保、循环稳定性好、导电性好、比表面积大、内阻较小、结构可控等特性，是一种很好的超级电容器电极材料。石墨烯纤维具有超高的比表面积，优良的机械性能、电学性能和导热性能，可以应用于导电织物、散热、储能等领域。基于石墨烯纤维的超级电容器（GFSC）具有高功率密度，快速充放电速率，超长循环寿命，出色的机械/电气性能以及安全的操作条件，使它们非常适合为小型可穿戴电子设备供电。
　　本课题是在上述研究背景下，首先使用课题组自主搭建的湿法纺丝设备，成功实现了石墨烯纤维的连续化制备，通过改变还原方法提高了纤维的导电性和机械强力，该纤维符合超级电容器电极材料和未来用作智能可穿戴产品的基本要求，有望作为超级电容器的电极材料组装成全固态柔性纤维状超级电容器。
　　其次，我们开发了一种简便但有效的方法，通过简单的等离子体处理提高全固态超级电容器的电化学性能。我们发现，在等离子体环境下处理 1 分钟的纤维组装的超级电容器的面积比电容（ 36.25 mF/cm2）增强了33.1％。在PVA/H2SO4凝胶电解质中能量密度达到0.80μWh/cm2，在PVDF/DMF/EMIMBF4电解质中的能量密度为18.12μWh/cm2，是处理前纤维组装的器件能量密度的 22 倍。经过等离子体处理的超级电容器还具有高倍率性能（40 s等离子体处理的超级电容器达到69.13％）和优异的循环稳定性（20000 次循环后 1 分钟等离子体处理后的电容保留率为96.14％）。该等离子体改性刻蚀处理方法可以扩展到大规模生产中。
　　然后，进一步使用化学刻蚀的方法构建富含微孔结构的多孔石墨烯，表面积830.0489 m2/g，孔洞直径与电解质离子直径匹配，将多孔氧化石墨烯与氧化石墨烯不同比例混纺，最优比例H40G60F比电容达到154.1 mF/cm2，能量密度达到3.424μWh/cm2，微孔比例高达64.27％，解决了纤维内部由于电解质无法到达引起的材料浪费问题，增强了电极与电解质的接触面积，电化学性能得到了大幅度增长，构建的有效离子通道提高了倍率性能，并在电解质中引入氧化还原反应，同时增高比电容至366 mF/cm2。
　　最后，在最优化学刻蚀多孔石墨烯纤维电极（H40G60F）的基础上对其进行氮掺杂，在0.1 mA/cm2的电流密度下，比电容达到292.5mF/cm2，能量密度6.5μWh/cm2，由该纤维组装而成的超级电容器具有柔性、全固态、安全等优良特性，可以成功供应电子手表的运作，有望用于智能可穿戴技术。