石墨烯基复合材料的柔性全固态超级电容器性能研究

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超级电容器具有比传统电容器更高的能量密度和功率密度,成为近年来能源领域的研究热点。本论文以石墨烯作为载体,制备了尖晶石型铁氧体/石墨烯纳米复合材料。再在纳米复合材料中掺杂其他金属元素或复合金属氧化物,以达到提升电化学性能的目的。运用多种手段深入探讨了金属元素或金属氧化物添加量的变化及反应条件对纳米复合材料结构和电化学性能的影响,进而采用凝胶聚合物电解质,以最佳工艺制备的纳米复合材料作为电极,组装成柔性固态超级电容器。主要的研究结果如下:(1)采用溶剂热法合成了Mn-ZnCo2O4/rGO纳米复合材料,研究显示,Mn的掺杂量不超过10 wt%时,对ZnCo2O4/rGO纳米复合材料的尖晶石结构没有产生明显影响;反应温度和时间的变化对Mn-ZnCo2O4/rGO纳米复合材料的结晶性有一定的影响。电化学性能研究表明,在1 M KOH电解液中,180℃下保温6 h制备的10 wt%Mn-ZnCo2O4/rGO纳米复合材料的电化学性能最佳,1 A/g电流密度下比电容为393.6 F/g,电容保持率为83.3%。(2)采用溶剂热法合成了MnO2-ZnCo2O4/rGO纳米复合材料,研究表明,MnO2的添加量及反应条件的变化对纳米复合材料的颗粒尺寸及结晶程度都有影响;SEM和TEM分析表明棒状的MnO2和颗粒状的ZnCo2O4分布在石墨烯片层表面;电化学性能研究表明,MnO2与ZnCo2O4/rGO之间的协同效应进一步提高了MnO2-ZnCo2O4/rGO纳米复合材料的电化学性能,180℃下保温6 h制备的20 wt%MnO2-ZnCo2O4/rGO纳米复合材料的电化学性能最佳,在1 M KOH电解液中,1 A/g电流密度下的比电容为591.9 F/g,电容保持率为63.8%。(3)制备了PVA-KOH-CH3COOLi凝胶电解质,分别采用两种纳米复合材料作为电极组装成柔性固态对称超级电容器。电化学性能研究结果表明,当PVA:KOH:CH3COOLi质量之比为1:1.3:0.8时,柔性固态电容器的电化学性能最好。(4)采用水热法制备的MnFe2O4铁氧体作为正极材料,分别采用两种纳米复合材料作为负极材料,与PVA-KOH-CH3COOLi凝胶电解质组装了柔性非对称固态超级电容器。两组电容器的电势区间可达到0-1.6 V,10 wt%Mn-ZnCo2O4/rGO//MnFe2O4的面电容为127.3 m F/cm2,能量密度为56.1μWh?cm-2,经过1000圈循环后,电容保留率达88.2%;20 wt%MnO2-ZnCo2O4/rGO//MnFe2O4电容器的面电容为157.7 m A/cm2,能量密度为56.1μWh?cm-2,1000次循环后电容保持率达81.3%。
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