基于还原性氧化石墨烯的锌/碘储能电极性能研究

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近两年,锌/碘储能器件腾空出世,成为了广大研究机构的研究热点,针对锌/碘储能电极的研究已经大面积展开。石墨烯作为近十年最火热的材料,在储能、太阳能电池、场发射以及传感器等领域已经得到了广泛的应用,特别在储能领域,石墨烯已经成为了热门研究材料。本文采用低成本、耐腐蚀、导电性较好的三维多孔结构材料石墨毡(GF)作为锌/碘储能电极材料。这种材料因为具备较大的空隙结构,内部碳纤维错综复杂,能够提供很大的比表面积,是储能电极材料的有力候选之一。石墨烯与石墨毡的有效结合,在储能领域具有很好的研究和发展前景。首先,石墨毡本身的亲水性和电化学活性不是很好,本文分别使用酸处理和热处理两种方法对原始石墨毡的表面进行了预处理。酸处理使用RCA(工业标准清洗工艺)对石墨毡进行酸处理,刻蚀石墨毡表面,使其表面具备一些沟壑,从而使其比表面积进一步增大。在10mV/s的扫速下,电极材料的比电容增加了11%。热处理采用快速热退火炉,在真空氛围下分别在800℃、900℃、1000℃加热30s、1min、2min,使得石墨毡表面变得凹凸不平,从而增大其表面积。在800℃,2min的热处理下,石墨毡能够获得最大的比电容2F/cm2,在5mA/cm2的电流密度下,相比原始石墨毡,充放电时间明显增加。其次,本文采用Hummers法制备氧化石墨烯(GO)。并且利用乙醇在高温高压的作用下还原氧化石墨烯,得到还原性氧化石墨烯(RGO),并将其生长在石墨毡的表面,形成电极材料还原性氧化石墨烯-石墨毡(RGO-GF)。探究了不同的氧化石墨烯与乙醇的浓度比,对电极材料RGO-GF在碘化锌溶液中的电化学性能影响。结果显示,生长有还原性氧化石墨烯的石墨毡相比于原始石墨毡具备更优异比容量,充放电时间以及导电性。根据形貌与结构的表征以及电化学性能测试,在氧化石墨烯(GO)与乙醇的浓度比达到5.3%的时候,电极材料RGO-GF上生长有质量最优的RGO。在10mV/s的扫速下,比电容达到了2.1F/cm2,在5mA/cm2的电流密度下,充放电时间增长1倍,交流阻抗最小。因此,RGO-GF电极材料在锌/碘储能领域有着很好地发展和应用前景。此外,现在大量的研究者把关注点放在锌/碘储能电极的研究领域,提升锌/碘储能性能也是可以通过抑制锌枝晶的生长以及减少ZnI3?5H2O沉淀。本文采用乙醇作为醇类的代表,研究醇类电解质添加剂对于锌/碘储能性能的影响。结果表明,经过长时间伏安曲线循环后,乙醇作为电解质添加剂能够有效的降低锌枝晶的生长,并且乙醇产生的有机阳离子能够与锌离子相结合,减少沉淀的产生。通过循环伏安曲线(CV)、交流阻抗谱(EIS)以及计时电位法(GCD)进行电化学分析。最终证明,在乙醇与0.1M碘化锌溶液浓度比为10%时,乙醇与锌离子的络合反应发生最为彻底,具备最大的比容量1.99F/cm2,最小的溶液电阻7.20Ω,最长的充放电时间。
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