基于激光刻蚀技术的高性能柔性微型超级电容器的制备及性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangmeiqing
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随着便携式和可穿戴电子产品的飞速发展,柔性储能设备的市场化需求逐渐扩大。超级电容器作为一种高性能储能装置,具有高功率密度和长循环寿命等优点,受到科研工作者的广泛关注,而兼具柔性可弯折和轻量化特点的柔性微型超级电容器(Flexible Microsupercapacitors,FMSCs)更是展现出了巨大的科研与市场潜力。本文在激光刻蚀石墨烯(Laser-induced Graphene,LIG)电极的基础上,通过结合电化学沉积、造纸工艺等技术制备了一系列高性能FMSCs。主要研究内容概括如下:(1)利用LIG电极作为基底,通过层层交替沉积金属-有机框架材料(Metal-organic Frameworks,MOFs)和聚苯胺(Polyaniline,PANI)材料制备柔性电极并将其应用于FMSCs的构建中。其中导电的PANI链作为桥梁连接在MOFs晶体中以增强MOFs的导电性,MOFs晶体的框架结构穿插在PANI链层中以减弱PANI链致密的堆叠结构,两种材料的协同作用有效地提升了电容器的电容量,增大了导电性,当电流密度为0.5m A·cm-2时,利用该方案制备的储能器件可产生高达719.2 m F·cm-2的面积比电容,是基于纯LIG电容器的370倍。(2)为了打破传统刻蚀基底在FMSCs领域发展的局限性,我们提出了一种结合造纸技术与激光刻蚀工艺制备高性能FMSCs的新方案。利用造纸技术可实现聚对苯撑苯并二噁唑(Poly(p-phenylene benzobisoxazole),PBO)纸基底的大规模生产,而激光刻蚀技术可将PBO纸基底直接转换为LIG电极,不仅具有较高的电容量,同时还兼具良好的循环寿命和机械柔性。相比于以聚酰亚胺(Polyimide,PI)薄膜为衬底制备的FMSCs,基于PBO纸基制备的FMSCs的最大面积比电容可达44.4 m F·cm-2,是基于PI基底电容器比电容的12倍。除此之外,因为PBO基底具备一定的疏水性,利用该方法制备的LIG电极可作为电化学沉积的基底材料,为进一步提升FMSCs电容量及导电性奠定了基础。
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