透明柔性石墨烯基超级电容器的制备及其双电层电容性能研究

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透明柔性超级电容器(Transparent and Flexible Supercapacitors,TFSCs)作为一种重要的储能元件,其合理的设计将推动透明柔性电子产品的发展。透明导电电极(Transparent Conductive Electrodes,TCEs)作为其重要组成部分,它的选择、结构与性能对TFSCs有着重要的影响。本文首先研究了以电泳沉积法制备石墨烯@银纳米线/PET透明导电电极,银纳米线/PET透明导电电极作为集流体,石墨烯纳米层为活性物质,制备了基于双电层机制的“三明治夹层”结构透明柔性超级电容器。通过电泳沉积将带有正电荷的石墨烯层均匀的沉积在银纳米线/PET透明导电电极上。一方面,柔性石墨烯层可以防止银纳米线在电解质环境中被氧化;另一方面,具有褶皱形貌且贴合紧密的石墨烯层可以存储电荷,并且石墨烯层和银纳米线可以构成共渗透的网络结构,有效地传输电子,彼此间的协同作用赋予了TFSCs优异的性能。TFSCs器件在透光率为65%条件下,面积比电容值可达0.3 m F·cm-2,并且具备良好的循环稳定性(在0.024 m A·cm-2的电流密度下经过10000次循环后电容保持率为98%)。另外,通过界面电容的引入讨论了石墨烯层间结构与测量面积比电容之间的关系,加深了对TFSCs中石墨烯活性层双电层电荷存储能力本质的理解。然而,堆积结构的石墨烯不具有开放的三维结构,不利于电荷的存储与运输。为此,本文通过旋涂法制备了以碳纳米管(CNTs)为支撑物的三维结构石墨烯层@银纳米线/PET作为透明导电电极,CNTs柱状支撑在石墨烯层间,能够增加相邻石墨烯层的层间距,进而可以提供一个开放的三维结构便于电荷的存储和传输。与此同时,引入的CNTs可以促进石墨烯层间的电子传输,提高垂直于石墨烯层方向的电子导电率。相比于无CNTs支撑的石墨烯层所制备的TFSCs,在相同透光率的前提下,面积比电容可提高27-72%,且器件具有很好的循环稳定性,为TFSCs的开发研究提供了新的技术原型和数据、理论支持。
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