基于“电荷传输高速网络"的微纳三维电极结构的柔性超级电容的制备与性能研究

The flexible supercapacitors have being become a research hotspot in the flexible energy storage devices field owing to their attractive characteristics such as portable, multi-functional and so on. As a core component of supercapacitor, the flexible and high electrochemical performance electrode plays an important role in flexible supercapacitor. Moreover, the electrode structure is a key factor to improve its electrochemical performance. The mainly reason of which is that the ion diffusion distance and electron transfer rate is strongly dependent on the electrode structure in the electrochemical reaction. Now, the electrode materials of flexible supercapacitors which based on Graphene or CNTs present small specific surface area,poor conductivity,low porous rate,poor flexible and so on.For such reasons, we propose a electrode structure of "the highway networks for electron transfer and easy access for electrolyte ions" and design three-dimensional and ternary graphene (100 μm)/carbon nanotube array (1 μm)/active materials (10 nm) structure on the basis of our existing experiments. And, this structure can effectively reduce the electron accumulation and increase ion diffusion distance, resulting in an excellent electrochemical performance. This project provides a new idea for high-performance flexible supercapacitor electrode, and has important scientific significance and application prospects for flexible supercapacitor in flexible energy storage devices field.

柔性超级电容器因其便携式和多功能化等优点成为柔性储能器件领域的研究热点。其中兼具柔性与优异电化学性能的电极作为核心部件，是柔性超级电容器电极研究的重点与难点。而电极的结构是提高其电化学性能的关键，原因是电化学反应中离子扩散距离和电子传输速率强烈依赖于电极结构。目前，基于石墨烯和碳纳米管的柔性超级电容电极材料，存在比表面积小、导电率低、多孔率低及柔性差等缺点，严重影响了柔性超级电容的性能。鉴于此，本项目提出基于"电荷高速传输网络"的电极即三级三维复合结构（三维石墨烯（100 μm）/碳纳米管阵列（1 μm）/电活性物质（10 nm）），这种结构可有效地减小电子积累和增加离子扩散距离，同时具有良好的柔性。将此结构用于制备柔性超级电容的电极以期获得优异的电化学性能。本项目为高性能柔性超级电容电极材料的研究提供了一种新思路，为电容器在储能方面的研究与实际应用提供科学依据。

新型绿色储能设备在人类生活中占据日趋重要地位，与目前已经实现市场化应用的锂离子电池相比，由于具有功率密度高、循环寿命长、能够快速充放电工作温度范围宽且环境友好等特点，超级电容器逐步展现出了极大的应用前景。本项目的研究工作如下：.1）项目合成了自支撑Ni(OH)2纳米片/三维石墨烯复合材料并将其应用于超级电容器的正极，在2 A/g的电流密度下其比电容可达2860 F/g，在30 A/g的电流下其比电容依旧有1791 F/g；当扫速为5 mV /s时其比电容为2461 F/g。.2）利用微波辐照方法来制备石墨烯，获得了即在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%，循环3000圈后还能保持90%的电容值。并进一步制备了钴酸锌/石墨烯阵列结构的复合材料，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%。.3)利用两步溶剂热法制备出了ZnCo2O4量子点均匀分布在NG的表面上的ZnCo2O4/NG复合材料。结果显示在1 A g-1下比容量达到301.8 C g-1，在30 A g-1下倍率性能为84.5%，5000次循环后容量保持了89.2%。组装非对称器件，其能量密度达到28.3 Wh/kg。.4）项目制备了自支撑的柔性3DG/CNTs/MnO2复合电极。结果显示由3DG/CNTs/MnO2复合电极组装的非对称柔性超级电容器的能量密度和功率密度分别高达33.71 Wh/kg和22727.3 W/kg，而且基于3DG/CNTs/MnO2复合电极的对称和非对称超级电容器都表现出了高的能量密度保持率。此外，对组装的非对称超级电容器进行1000次循环测试后，其比容量保持率高达95.3%。.5）利用静电纺丝法可以大量可控的制备纳米碳纤维。结果显示多孔碳纤维的比电容可达104.5 F g-1，良好的循环稳定性；还具有良好的柔韧性，在500次弯折后比电容保持89.4%。这种导电性能良好的多孔纳米碳纤维可以用作复合材料导电骨架。在此基础上，在纳米碳纤维中引入CoSx，结果显示良好的性能： 0.5 A g-1电流密度下比电容496.8 F g-1、良好的循环稳定性和高倍率性能。