基于石墨烯和多孔碳颗粒的混合薄膜用于构建独立式柔性超级电容器

2017-12-20

独立式柔性固态超级电容器作为电子设备的电源备受关注。在这里,我们报导了一种新颖的策略,以制备由多孔碳颗粒与石墨烯片组合的独立式柔性混合纸。碳颗粒和石墨烯片之间的协同效应具有两个重要的优点:(a)可借助石墨烯片,建立由碳颗粒形成的无粘结剂电极;(b)碳颗粒充当间隔物,在很大程度上避免了石墨烯片的重新堆叠。在固态超级电容器中使用这些混合纸带来了重要的特性:(a)大的比表面积,(b)良好的导电性,(c)高堆积密度和 (d)优异的柔韧性。它们的体积电化学性能,明显优于用粘合剂凝聚碳颗粒制备的电极。此外,它们在高达1400 mA cm-2的电流密度下,达到了极高的面积电容(103 mF cm-2),并且能够在高功率密度(316mWcm-2)下提供大量的能量(〜12μWhcm-2)。在这项工作中,使用这种混合纸组装了一个强大、灵活和高性能的固态超级电容器。

Scheme 1 合成示意图。

Fig. 1 (a) HGP纸 (GP-CK) 的数字图像,(b) HGP (GP-CS) 的横截面图,GP-CK薄膜的 (c) SEM和 (d) TEM图,GP-CS薄膜的 (e) SEM和 (f) TEM图。

Fig. 2 (a) C 1s轨道的XPS 光谱图,(b) XRD图谱,(c) 拉曼光谱和 (d) GP,GP-CK和GP-CS纸的比表面积。

Fig. 3 (a) CK、GP-CK样品,和 (b) CS、GP-CS样品的体积电容随电流密度的变化;对于单位体积CK、GP-CK、CS和GP-CS的(c) 电容保持和 (d) Ragone-like曲线。电解质:1M H2SO4。

Fig. 4 (a) GP-CK和 (b) GP-CS纸在不同扫速下的循环伏安图,(c) 不同石墨烯纸在5 mV s-1扫速下的循环伏安图,(d) 在〜230 mA cm-2 时的恒电流充放循环,(e) 面积电容随电流密度的变化曲线,(f) GP、GP-CK和GP-CS纸的Ragone-like曲线。电解质:1M H2SO4。

Fig. 5 固态超级电容器的性能(电解质:H2SO4-PVA):(a) 在扫速为20 mV s-1时的循环伏安图;(b) 基于GP和GP-CS超级电容器的倍率性能;(c) 扫速为5 mV s-1,不同弯曲角度下的循环伏安图;(d) 180°弯曲状态下,GP-CS超级电容器在13 mA cm-2的恒定电流下通过充放电循环评估的库仑效率和长期稳定性。

相关研究成果发表在Sustainable Energy & Fuels(DOI: 10.1039/c6se00047a)上。

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