大容量超级电容器中二维电极材料的制备与性能研究

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石墨烯及MXene等二维材料由于具有高导电性、高比表面积等优点被认为是超级电容器的理想电极材料,本文以石墨烯和MXene作为基体制备了氮磷共掺杂碳微球/石墨烯、氢醌复合石墨烯凝胶以及氮掺杂MXene三种电极材料,并研究了它们的电化学性能。通过水热处理制得了氮磷共掺杂的碳微球/还原氧化石墨烯纳米复合材料。所制备的纳米复合材料具有604.3 m2/g的比表面积,并且由微孔、中孔和大孔组成分级多孔结构。当将其应用于KI/H2SO4氧化还原电解质中时,在2 A/g下其比电容性能为654 F/g的,在402 W/kg的功率密度下能量密度为14.5 Wh/kg。即使在20 A/g的高电流下,仍可保持318 F/g的比电容,功率密度为3984 W/kg,能量密度为7.0 Wh/kg。以水热法制备氢醌改性的石墨烯凝胶作为阴极,非原位掺杂制得的氮掺杂MXene作为阳极,将两种材料应用于具有宽电压窗口的全固态非对称超级电容器。选择具有高电势的氢醌改性的石墨烯凝胶作为阴极材料,具有低放电电视的氮掺杂MXene作为阳极材料。所组装的非对称器件在H2SO4凝胶电解质中显示出1.7 V的电压窗口,并且在从室温到-20°C的宽温度范围内都具有出色的适应性。研究发现,在-20°C时,固态非对称电容器的能量密度为33.9 Wh/kg。固态非对称电容器在宽温度范围内的优异性能大大增加了超级电容器的实际应用潜力。
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