随着市场应用的多样化,能量存储设备在诸如消费电子、交通、节能、绿色能源等领域中发挥着极大的作用。由于高功率密度、长循环寿命、宽工作温度、安全环保等优点,超级电容器作为电池的补充设备,应用到需要快速功率变化的领域。目前对超级电容器的研究还是集中于对电极材料的选择和改性。石墨烯由于具有高导电性和大比表面积而成为一种优异的电极材料。二元过渡金属氧化物钴酸锌也是具有良好电化学性能的电极材料。本文选择对石墨烯纤维及钴酸锌/石墨烯复合材料进行超级电容器性能的研究,为它们市场应用提供依据。本论文的研究内容如下:(1)石墨烯纤维电极电容性能的研究。我们利用微波辐照方法来制备石墨烯,通过调控微波时间来研究微波时间对石墨烯形貌、比表面积、还原程度以及电化学性能的影响。实验结果表明,微波时间会显著影响石墨烯的形貌、比表面积、还原程度和电化学性能。随着微波时间的增加,石墨烯片的卷曲程度加剧,导致比表面积不断增大;还原程度也逐渐提高,使得石墨烯的导电性不断增加。其中,当微波处理时间为6 min时,样品MW-6 min表现出最优的电化学性能,即在1 A/g的电流密度下比电容可以达到110 F/g,在30 A/g的电流下其电容值依然能保持87%。样品也表现出良好的循环稳定性,在大电流密度30 A/g下循环3000圈后还能保持90%的电容值。这些研究结果为石墨烯的组装提供一定的参考。(2)花状钴酸锌/石墨烯复合电极电容性能的研究。虽然单一碳材料石墨烯表现出优异的性能,但双电层材料理论电容值比赝电容材料小得多。因此,我们选择石墨烯和赝电容材料复合作为电极材料,在保证良好机械性能的同时,来提高电极材料的比电容。我们通过简单的水热法制备花状钴酸锌/石墨烯三维网络复合结构。通过调控前驱体氧化石墨烯浓度,来研究氧化石墨烯浓度对钴酸锌/石墨烯复合电极电容性能的影响。实验结果表明,当氧化石墨烯浓度为1.75 mg/mL,即石墨烯与钴酸锌的质量比为1:4时,复合材料的电化学性能达到最优,即在1 A/g的电流密度下电容值达到670 F/g,在30 A/g的电流密度下还能保持520 F/g的电容值。而且,氧化石墨烯浓度为1.75 mg/mL花状钴酸锌/石墨烯复合材料具有良好的循环稳定性,即在充放电3000圈以后比电容还能保持原来的87%。故在本文在我们选择浓度为1.75 mg/mL氧化石墨烯与钴酸锌复合。由于石墨烯和钴酸锌间的相互协同作用,复合材料比单一钴酸锌在比电容、倍率性能、循环稳定性方面也更有优势。(3)阵列结构钴酸锌/石墨烯电极电容性能的研究。通过水热法制备了生长在泡沫镍基底材料上的钴酸锌/石墨烯阵列结构的复合材料。实验结果表明,纳米阵列结构的泡沫镍/钴酸锌复合材料具有超高的比电容,在2 M KOH溶液中比电容值在1 A/g电流密度下能到达2400 F/g。电极材料在30 A/g大的电流密度下电容值还能保持82.7%,具有优异的倍率性能。该材料在10 A/g的电流密度下,循环3000圈以后电容值能还可以保持原来的86%,有着突出的循环稳定性。复合材料有着优异的储能性能主要得益于纳米阵列结构的设计。电极材料的阵列结构在储能过程中缩短了电子传输距离,有利于电子的快速传输,增加了电解液离子的接触面积,提高了活性物质的利用率。