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高性能石墨烯微型超级电容器面世

发布时间:2019-08-15 18:01:45

  石墨烯(Graphene)是一种由sp2杂化碳原子紧密排列成蜂窝状晶格结构的、单原子厚度的二维炭材料。这种新型二维材料拥有诸多优异特性,如超薄、高导电性、高比表面积、高比容量,是制备微型超级电容器的重要材料之一。

  小型化、柔性化、平面化的高性能微型电化学储能器件,是便携式电子器件和体内电子器件快速发展的迫切需求。作为电化学能源存储领域的前沿研究方向之一,微型超级电容器(Micro-Supercapacitors)不仅能够解决微型电池功率密度低、电解电容器能量密度不高的问题,而且有望作为新一代的微量能量与功率源,与纳电子器件直接融合集成。目前,在全球范围内,对微型超级电容器的研究尚处于起步阶段,但由于其具备极大的发展潜力,被认为是一种非常有前景的微型能源器件。

  石墨烯已被证明是一种极具前景的高性能能源材料,不仅仍有很大的研究空间和突破的可能,而且有望较快实现其工业应用。为了发展高性能的微型超级电容器:首先,发展新型的形貌和结构可控的石墨烯及其复合材料是关键,同时可用其他类石墨烯纳米片(如MnO2,RuO2,VS2)材料来增加比容量和能量密度;其次,继续发展高效、低成本、大面积生产薄膜的技术(如屏幕印刷、喷墨打印、激光刻绘),获得形貌连续、孔隙发达、高导电性的薄膜电极;最后,微型超级电容器器件结构的整体优化,需要兼顾电极、隔膜、电解液和基板之间的界面融合,优化高分辨率平面交叉电极结构和微电极主要几何参数,包括微电极的宽度、长度、数目和电极间隙。

  由德国马普学会高分子研究所吴忠帅博士、冯新亮教授和中国科学院金属研究所成会明研究员共同撰写的综述文章 芯片储能用石墨烯基平面微型超级电容器的研究进展 已在《国家科学评论》2014年第2期发表。这篇综述性论文简述了微型超级电容器的发展历史,阐述了以石墨烯为代表的碳基材料在平面微型超级电容器方面的电极结构设计与组装构建基本原理,并重点介绍了典型的芯片储能用石墨烯材料(包括还原氧化石墨烯薄膜、CVD石墨烯、掺杂石墨烯、石墨烯量子点、及其复合材料)的控制制备与结构设计,代表性微型超级电容器的微纳加工技术(包括光刻、电化学沉积、激光刻绘、喷墨打印等)、电解液选择(包括水系、有机系、离子液体和固态电解液)、微型器件构型组装(对称与非对称)等方面的最新研究进展,并展望了这类器件的未来发展趋势。

  近年来成会明研究员和冯新亮教授课题组在石墨烯材料的控制制备、电极的结构设计及新型储能器件等方面开展的深入研究。例如,成会明研究员课题组设计制备出一种石墨烯/纤维素三维状复合材料,不仅秉承了纤维素纸的柔性,而且减少了石墨烯纳米片的堆叠团聚,并具有快速输运电解液离子的通道。由该柔性复合材料裁剪成的梳型电极的平面超级电容器可任意折叠、卷曲成各种形状,可满足射频标签等微功率应用的需要。

  冯新亮教授课题组开发出一系列小型化、柔性化、平面化、高性能石墨烯微型超级电容器。该课题组利用甲烷等离子体实现了氧化石墨烯薄膜的高效还原,结合微加工光刻技术和电容器组装技术制备出超薄、柔性、全固态平面型微超级电容器。获得的微超级电容器具有高的功率密度(495W/cm )和能量密度(2.5mWh/cm ),扫描速率达到1000V/s。该研究发现,增加平面交叉微电极的数目和窄化微电极的宽度,能够显著增加微电容器的比容量和倍率性能。通过异质原子(硼、氮)共掺杂,可进一步提高石墨烯薄膜的体积比容量(488F/cm )和扫描速率(2000V/s)。此类石墨烯微型超级电容器能够充分利用石墨烯二维特征和器件的平面交叉构型,极大地缩短了电解液离子的传输距离,可获得充电或者放电速度比常规电容器快1000倍以上的新型储能器件,即有望在毫秒时间内完成对特定微器件充电

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