石墨烯基復合材料超級電容器的電化學性能研究.pdf

1、隨著市場應用的多樣化，能量存儲設備在諸如消費電子、交通、節能、綠色能源等領域中發揮著極大的作用。由于高功率密度、長循環壽命、寬工作溫度、安全環保等優點，超級電容器作為電池的補充設備，應用到需要快速功率變化的領域。目前對超級電容器的研究還是集中于對電極材料的選擇和改性。石墨烯由于具有高導電性和大比表面積而成為一種優異的電極材料。二元過渡金屬氧化物鈷酸鋅也是具有良好電化學性能的電極材料。本文選擇對石墨烯纖維及鈷酸鋅/石墨烯復合材料進行超級電

2、容器性能的研究，為它們市場應用提供依據。本論文的研究內容如下：
　　(1)石墨烯纖維電極電容性能的研究。我們利用微波輻照方法來制備石墨烯，通過調控微波時間來研究微波時間對石墨烯形貌、比表面積、還原程度以及電化學性能的影響。實驗結果表明，微波時間會顯著影響石墨烯的形貌、比表面積、還原程度和電化學性能。隨著微波時間的增加，石墨烯片的卷曲程度加劇，導致比表面積不斷增大；還原程度也逐漸提高，使得石墨烯的導電性不斷增加。其中，當微波處理時間

3、為6min時，樣品MW-6min表現出最優的電化學性能，即在1A/g的電流密度下比電容可以達到110F/g，在30A/g的電流下其電容值依然能保持87％。樣品也表現出良好的循環穩定性，在大電流密度30A/g下循環3000圈后還能保持90%的電容值。這些研究結果為石墨烯的組裝提供一定的參考。
　　(2)花狀鈷酸鋅/石墨烯復合電極電容性能的研究。雖然單一碳材料石墨烯表現出優異的性能，但雙電層材料理論電容值比贗電容材料小得多。因此，我們

4、選擇石墨烯和贗電容材料復合作為電極材料，在保證良好機械性能的同時，來提高電極材料的比電容。我們通過簡單的水熱法制備花狀鈷酸鋅/石墨烯三維網絡復合結構。通過調控前驅體氧化石墨烯濃度，來研究氧化石墨烯濃度對鈷酸鋅/石墨烯復合電極電容性能的影響。實驗結果表明，當氧化石墨烯濃度為1.75mg/mL，即石墨烯與鈷酸鋅的質量比為1:4時，復合材料的電化學性能達到最優，即在1A/g的電流密度下電容值達到670F/g，在30A/g的電流密度下還能保持5

5、20F/g的電容值。而且，氧化石墨烯濃度為1.75mg/mL花狀鈷酸鋅/石墨烯復合材料具有良好的循環穩定性，即在充放電3000圈以后比電容還能保持原來的87%。故在本文在我們選擇濃度為1.75mg/mL氧化石墨烯與鈷酸鋅復合。由于石墨烯和鈷酸鋅間的相互協同作用，復合材料比單一鈷酸鋅在比電容、倍率性能、循環穩定性方面也更有優勢。
　　(3)陣列結構鈷酸鋅/石墨烯電極電容性能的研究。通過水熱法制備了生長在泡沫鎳基底材料上的鈷酸鋅/石墨

6、烯陣列結構的復合材料。實驗結果表明，納米陣列結構的泡沫鎳/鈷酸鋅復合材料具有超高的比電容，在2M KOH溶液中比電容值在1A/g電流密度下能到達2400F/g。電極材料在30A/g大的電流密度下電容值還能保持82.7%，具有優異的倍率性能。該材料在10A/g的電流密度下，循環3000圈以后電容值能還可以保持原來的86%，有著突出的循環穩定性。復合材料有著優異的儲能性能主要得益于納米陣列結構的設計。電極材料的陣列結構在儲能過程中縮短了電子