高质量石墨烯纤维的制备及电化学性能研究

In recent years, preparation and application of graphene fiber have attracted more and more research interests. Due to the excellent mechanical stress and quickly charge mobility, graphene fibers could be applied as electrodes of supercapacitors, which make traditional supercapacitors shift to flexible, integration, portable and wearable storage energy devices. However, graphene fibers fabricated by wet-spinning GO solution with large amount of oxygen-containing functional groups and structure defects impact the electrical conductivity and electrochemical properties of graphene fibers. Therefore, in this project, graphene fibers with excellent electrical conductivity and mechanical strain and stress will be prepared by chemical vapor deposition (CVD); Aligned carbon nanotubes (CNTs) arrays on graphene fibers fabricated by two-steps CVD could improve the electrical conductivity, specific surface area and mechanical performance of graphene fibers; Finally, polypyrrole (PPy) and other pseudocapacitance materials will be deposited on the surface of graphene fiber and CNTs-graphene fibers to improve the energy density and power density of graphene fiber supercapacitors.

近几年来，石墨烯纤维的制备和应用引起了科学界广泛的研究兴趣。石墨烯纤维具有优异的机械强度，快速的电子传输和转移等特点，被认为是超级电容器的理想电极材料。这种石墨烯纤维结构电极材料材料可以实现传统的大型电容器向柔性、高集成性，便携式、可穿戴方向发展。目前利用湿纺氧化石墨烯溶液制备的石墨烯纤维含有大量的含氧官能团和结构缺陷而使其电学性能差，直接影响其电化学性能。针对以上问题，本项目提出利用化学气相沉积法制备高电导率和机械性能的石墨烯纤维；通过两步化学气相沉积技术制备碳纳米管阵列垂直交联的石墨烯纤维，进一步提高石墨烯纤维的电学、力学性能及比表面积；最后通过聚吡咯等赝电容物质复合的石墨烯纤维及碳纳米管垂直交联的石墨烯纤维，改进以石墨烯纤维作为电极材料的超级电容器的能量密度和功率密度。

近几年来，石墨烯纤维及碳纳米管纤维的制备和应用引起了科学界广泛的研究兴趣。它们具有优异的机械强度，快速的电子传输和转移等特点，被认为是超级电容器或者电池等储能器件的理想材料，可以实现传统的大型储能器件向柔性、高集成性，便携式、可穿戴方向发展。目前如何有效地实现储能器件的高功率/高能量密度仍然是现阶段面临的主要问题。因此，本项目旨在以石墨烯纤维及碳纳米管纤维制备为基础，开发高容量的电极活性材料和设计新型储能器件结构，实现高能量密度的储能器件的制备，并在此基础上赋予优异的可拉伸性能。主要研究内容包括以下几个方面；.（1）项目采用常压化学气相沉积方法，在铜丝表面制备多层石墨烯薄膜，最后将铜丝刻蚀掉，获得石墨烯纤维。采用浮动催化剂化学气相沉积法制备碳纳米管薄膜。经过乙醇收缩后，将获得的碳纳米管条带通过快速加捻的方式制成碳纳米管纤维。通过改变碳纳米管条带的宽度可以控制碳纳米管纤维的粗细，并通过一个直径为1 cm 的聚四氟乙烯管进行同步收集。我们制备的石墨烯纤维和碳纳米管纤维具有优异的电学性能和柔韧性，为柔性非对称超级电容器和电池等器件提供优异的导电集流体。 .（2）以石墨烯纤维和碳纳米管纤维作为导电集流体构筑纤维状非对称超级电容器及电池。在我们的相关工作中，探讨了如何提高储能器件的比容量，能量密度及功率密度。其次，探讨了在不同弯曲状态下器件的各项性能指标的变化。与平面器件相比，纤维状能源器件具有密度低、体积小、稳定性好、环境适应性强以及易于编织和集成的优点。通过与成熟的纺织技术相结合，很容易将纤维状超级电容器编织成能量织物，对于未来能源器件系统集成具有深远的影响。