石墨烯/聚偏氟乙烯高性能储能材料自组装构筑与应用

电化学电容器作为新一代储能元件，在未来的电能储存、电动汽车电源、集成电路等领域具有光明的应用前景。设计并开发成本低廉、性能优异、安全可靠的电化学电容器电极材料具有重要的科学意义和实用价值。石墨烯由于其优良的导电性能和大的比表面积，很可能是用来制备高性能电化学电容器电极的理想材料。本项目拟合成表面带有可电离基团的石墨烯及侧链接枝聚电解质的聚偏氟乙烯，基于静电吸附逐层自组装原理，探索工业上可行的制备微观结构可控的石墨烯/聚偏氟乙烯自组装膜新方法，并考察这种自组装膜作为电化学电容器电极材料的性能。通过对材料制备、自组装过程、自组装膜结构与性能方面的系统研究，建立起材料性质、自组装过程与条件、自组装膜微观结构、电极性能之间的理论关系。并期望最终通过优化条件，得到一类新的比电容不低于200 F/g的实用型高性能电化学储能材料。

项目研究内容主要围绕三方面展开：.（一）石墨烯与聚合物电解质层层组装膜的制备与电化学储能性能研究：以聚偏氟乙烯（PVDF）为基础、制备了一类侧链接枝聚阳离子的接枝共聚物（PVDF-g-QP4VP），再通过静电逐层自组装、原位还原制备了石墨烯与PVDF-g-QP4VP交替层叠的超薄膜（rGO/PVDF-g-QP4VP），优化rGO与聚合物结构、自组装过程条件、原位还原条件，得到比电容达153F/g的超级电容薄膜电极；采取真空抽滤辅助自组装的办法，制备了以聚阳离子为间隔层的rGO电极，考察了聚阳离子类型、用量对成膜时间、薄膜层状结构的影响，并进一步研究了石墨烯结构及性质（面积厚度比、化学还原程度等）、所得杂化薄膜层状结构（石墨烯层间距）等因素对于薄膜电化学储能性能的影响。优化条件，得到了一种比电容可达157 F/g的石墨烯基自组装柔性薄膜电极。.（二）石墨烯/聚合物纳米复合电介质材料制备及储能性能研究：制备了表面共价接枝聚乙烯醇的石墨烯（rGO-PVA），并以rGO-PVA为填充物、PVDF为基体，制备得到rGO-PVA/PVDF纳米复合材料。发现表面接枝PVA可有效防止rGO在PVDF基体中的聚集，抑制rGO纳米片间的电荷隧穿，提升材料介电性能。rGO-PVA/PVDF纳米复合材料的渗流阈值为2.24 vol%，在渗流阈值附近时，介电常数可达230（100 Hz），损耗因子为0.5 (100 Hz)。表面改性石墨烯(fRGO)与钛酸钡纳米颗粒(BT)共填充至PVDF中，研究该复合体系的介电性能，发现材料表现出较高的介电常数和较低的介电损耗，在1 MHz下介电常数可高达65，同时介电损耗正切仅为0.35，并且介电性能的温度依赖性较小，在高储能密度柔性电容器等方面具有很高的应用价值。.（三）石墨烯/聚烯烃纳米复合材料制备及性能研究：发展了一种熔融共混过程中氧化石墨烯原位热还原的办法，可高效、宏量地制备石墨烯分散较均匀的聚合物基纳米复合材料。制备得到表面共价接枝聚丙烯（PP）的石墨烯PP-g-rGO。以此杂化材料为增容剂增容聚丙烯/聚苯乙烯（PP/PS）共混物，可有效提升材料力学性能。.基于上述研究成果已发表SCI收录论文11篇。有两项专利、三篇研究论文正在审理。