级电容器论文摘要（中文）.PDF

博士学位论文公示材料 学生姓名 宋禹 学号 1310041 二级学科 物理化学 导师姓名 刘晓霞 论文题目 碳电极部分剥离、与法拉第赝电容材料复合在超级电容中应用研究 论文研究方向 超级电容器 论文关键词 部分电化学剥离、石墨烯、氧化物赝电容材料、钴镍双氢氧化物、聚吡咯、超 级电容器 论文摘要(中文) 超级电容器，也称作电化学电容器，是一种新兴储能器件，可被用作应对太阳能、风能等绿色能 源存在的时间和空间非连续性等问题，但其性能还有待提高。电极材料是决定超级电容器储能性能的 关键。将石墨烯等以双电层储能为主的碳材料与法拉第赝电容材料（过渡金属氧化物及导电聚合物） 组合，是高性能新型超级电容器电极材料的重要发展方向。然而，利用传统方法制备的这类复合电极 材料，石墨烯片之间的导电通路易被法拉第赝电容材料阻隔，难以形成通畅的导电网络，阻碍了石墨 烯优异导电特性的有效发挥。如何解决相关问题，设计新型石墨烯基复合材料，进一步提升电化学性 能，是科学界面临的挑战。 本文首先采用高效、可控的电化学技术对碳电极（石墨箔及碳纤维布）进行原位电化学部分剥离， 合成了三种三维导电碳基底。通过合理控制实验条件，使部分剥离的石墨烯片层与碳基底无缝连接， 而非完全脱落进入溶液。部分剥离的石墨烯近乎直立于碳基底，形成具有畅通导电通道的三维多孔集 流体。利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM ）、原子力显微镜（AFM ）、X 射线光电子能谱（XPS ）、 拉曼光谱（Raman ）等手段对其进行表征，利用接触角测试观测其润湿性，利用循环伏安、恒电流充放 电、交流阻抗（EIS ）等研究其电化学性能。然后，在部分剥离石墨烯表面原位电化学生长二氧化锰、 聚吡咯、氧化钒、及钴-镍双氢氧化物等法拉第赝电容材料。利用 SEM、TEM、XPS 、X 射线粉末衍射 （XRD ）等手段对其进行表征，利用循环伏安、恒电流充放电、EIS 等研究其电化学性能。通过与三维 多孔碳集流体复合，解决法拉第赝电容材料储能倍率低、循环寿命短等制约其实际应用的关键问题， 为高性能超级电容器电极材料设计合成提供新的思路。论文主要包括以下几个方面内容： （1）设计高效、绿色、可控的电化学实验方法，首次对碳电极（石墨箔及碳纤维布）进行了部 电化学剥离研究。首先，对石墨箔电极进行了两步部分电化学剥离，制备了功能化部分剥离石墨箔电 极 FEG 。第二，对碳布上的碳纤维进行了部分电化学剥离研究，制备了部分剥离碳布电极ECC 。最后， 对石墨箔电极进行了深度剥离研究，经后续还原后，制备了由表面剥离石墨烯、中部离子 入剥离层 和底层石墨基底构成的还原三层石墨箔电极 RTG 。在部分剥离研究中，通过严格控制电化学剥离参数， 使大量小的石墨单元 （例如石墨烯、石墨片）从基体中部分剥开，而非完全剥落进入溶液。剥离开的 石墨单元均匀布满基底表面，且与基底无缝连接，并近乎呈垂直取向，形成三维快速导电网络，为法 拉第赝电容材料提供先进三维集流体。部分电化学剥离过程中，在剥开的石墨单元引入适量含氧官能 团，为后续赝电容材料原位生长提供活性位点，促进赝电容材料微纳结构在三维集流体上均匀生长。 适量含氧官能团的存在还可加强金属氧化物、导电聚合物等赝电容材料与碳基底之间的相互作用，诱 导协同效应，提高电容性能。部分剥离的石墨单元具有良好的机械柔性，可缓冲循环储能过程中赝电 容材料体积变化引起的稳定性问题，提高材料使用寿命。而RTG 本身就具有良好的电容性能，在2 mA cm−2 的电流密度下，其面积比电容高达820 mF cm−2 。以电极的整体质量计（∼8.5 mg cm−2 ），RTG 的质 量比电容高达96.5 Fg−1 ，是未处理石墨箔电极的近 400 倍。电化学阻抗测试结果表明，RTG 的等效串 联电阻仅为 0.6 Ω ，具有优异的电子导电性。RTG 也表现出优秀的倍率性能，当电流密度增加至 100 −2 mAcm 后，RTG 可保持75% 的比电容。此外，经过 10000 次恒电流充放电，RTG 的比电容维持率高 达94%，表