超级电容器,也叫电化学电容器,具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和安全性能优异等特点,是一种很有前途的新型储能器件。随着电子设备便携化、可穿戴化,及多功能集成电路的发展,柔性化——成为储能器件发展中日益重要而迫切的需求。制备高性能的柔性电极是发展柔性超级电容器的关键。本文以石墨烯为柔性结构骨架,利用石墨烯自组装的功能,制备一体化柔性全炭电极,应用于超级电容器中体现出优异的电化学性能。具体研究内容如下:1、采用Hummer’s法制备的氧化石墨烯为原料,分别通过抽滤成型-热还原、化学液相还原-抽滤成型和抽滤成型-化学气相还原三种不同方法制备柔性还原氧化石墨烯膜电极,并将其应用于超级电容器对比了其电化学性能。三种方法制备的电极均具有较好的柔性,电化学行为相似,储能性能存在一定差异(147-171 Fg-1)。其中,抽滤成型-热还原法制备的石墨烯膜电化学储能性能最优,且方法简单、表观平整光滑,机械性能更好,微观孔隙发达,氧残留少等,更利于复合电极的制备。2、将活性炭与氧化石墨烯通过液相共混-抽滤成型-热还原的方式制备一体化柔性复合电极。通过调整氧化石墨烯与多孔炭的质量配比,制备不同比例的活性炭/石墨烯柔性复合电极,并应用于无机KOH电解液对称超级电容器体系中。由于活性炭的超高比表面积,在复合柔性电极中随活性炭的比例提高,电极整体比表面积以及全电极质量比电容量均呈增大的趋势。在活性炭用量高达88%时,仍保持完整的“三维嵌入式”电极结构,比电容可达到可观的302 Fg-1,同时大电流性能在20 Ag-1仍保持72%的优异表现。在该电极中,石墨烯除贡献了部分容量外,主要充当了柔性电极骨架和“粘结剂”的功能。3、我们进一步引入高比表面积的分级孔炭作为活性物质,制备了石墨烯复合分级孔电极。其中加入少量石墨烯作为电极成型的粘结剂,采用液相分散-抽滤成型-热还原的方法制备了分级孔炭/石墨烯柔性电极,并将其与传统的以PTFE和PVDF为粘结剂的电极进行对比。该柔性全炭电极兼具分级的孔隙微结构特征和颗粒嵌入式的石墨烯三维网络的电极结构特征。相对于传统的电极制备方式,这种新型的石墨烯粘结电极的不仅在多孔性方面进一步提高(电极比表面积由2201 m2 g-1提高到2561 m2 g-1),同时电极整体电导率也显著改善(电导率由0.177 S m-1提高到0.337 S m-1)。除此之外,石墨烯粘结电极在无机和有机电解液超级电容器中的电容储能性能表现也优于传统电极。分级孔炭/石墨烯复合电极在无机KOH电解液中容量可达321 Fg-1,而在有机Et4NBF4/AN电解液中也达到147Fg-1,相对于传统高聚物粘结剂电极提高了 28%和41%。另外,石墨烯粘结电极表现出了更优异的大电流性能。这主要是由于石墨烯作为粘结剂应用于电极成型过程,其构建的石墨烯三维结构不仅有助于电解液中离子在孔隙中的吸附和迁移,同时有助于电子在电极中的传导。4、将上述石墨烯粘结电极的制备方法推广应用于三种不同形貌和颗粒尺寸的多孔炭材料(高分子基粉状活性炭、活性炭纤维和活性炭球)的电极成型,进一步证实以石墨烯为粘结剂,共混抽滤-热还原的方法是一种制备高性能柔性炭复合电极的普适方法。选用活性物质与还原氧化石墨烯质量比为4:1的工艺条件,石墨烯作为粘结剂将不同形貌的多孔炭材料成功制备成具有良好柔性的炭电极。该系列电极均具有类似的三维石墨烯网络结构,且表现出优异的电化学储能性能。该系列石墨烯粘结电极,在6 mol.L-1KOH电解液中全电极的质量比容量可达264、235及304 Fg-1,而相对于同比例的传统高分子粘结剂电极提高率达到27%-40%;同时其体积比容量也有4%-24%的提高。此外,该方法成功拓展了传统颗粒状多孔炭的柔性储能应用,并且为其他柔性复合材料的设计开辟了新思路。