低阻抗石墨烯-Al電極材料的制備及其電學性能研究.pdf

1、憑借其環(huán)境友好、能量密度高、充放電效率快、循環(huán)壽命長、免維護等優(yōu)點，超級電容器成為一種理想的新型儲能元件。巨大的比表面積使石墨烯材料廣泛地應用在超級電容器活性物質材料上，但是傳統(tǒng)的制備工藝和方法仍不可避免地造成石墨烯之間的堆疊，從而導致其巨大比表面積的優(yōu)勢喪失，影響石墨烯片層間的電荷傳輸。同時，Al作為理想的低成本超級電容器的集電極材料，與廣泛使用的Ni和Fe集電極相比，具有更好的導電性、更低的密度和成本。但是，由于Al集電極容易被氧化

2、，其表面致密的氧化層導致與活性物質的接觸電阻較高，嚴重限制了其在石墨烯基超級電容器上的應用。本文將針對上述兩個問題，通過引入等離子體刻蝕、原位制備垂直生長石墨烯、化學處理構造三維結構基底、調控電解液與活性物質之間的潤濕性以及復合高比電容值的金屬氧化物等途徑，進而實現(xiàn)低阻抗、低成本石墨烯-Al電極材料。
　　為了降低Al集電極與活性物質之間的接觸電阻，采用等離子體表面處理方法，減少Al集電極表面的氧化膜，同時為了避免暴露大氣再氧化，

3、采用PECVD方法在表面改性后的Al表面上原位制備垂直生長石墨烯(VFG)，進而在VFG和Al集電極之間形成Al4C3和C層，可以極大地優(yōu)化電荷傳輸路徑和降低接觸電阻。由于Al集電極表面表面包覆了C層以及VFG，可以有效地避免Al和水系電解液的相互反應，極大地擴展了VFG-Al電極材料在水系電解液中的應用。
　　為了進一步提高VFG-Al電極的比電容值，我們通過化學處理的方法對普通平面結構的Al集電極材料進行刻蝕處理，在Al集電極

4、材料表面形成三維多孔結構，形成獨特的三維多孔-Al集電極材料(3D-Al)。采用PECVD法在3D-Al表面原位制備垂直生長石墨烯(VFG)，得到三維混合結構石墨烯-Al集電極材料(VFG/3D-Al)。通過引入三維結構Al集電極材料，可以提高單位面積的活性物質的質量，同時垂直取向的石墨烯納米片可以優(yōu)化電荷傳輸路徑，顯著地擴大了垂直生長石墨烯(VFG)與電容器電解液間的接觸面積，進而獲得更優(yōu)異的電化學性能。通過探究VFG材料在水系電解液

5、和有機電解液中的潤濕性和其比電容之間的關系，表明有機電解液中VFG材料潤濕性優(yōu)于水系電解液中，其電容值在有機電解液中可高達1398μF/cm2。
　　為了將雙電層電容和贗電容相結合，進而提高其比電容值，我們通過水熱合成方法在VFG表面原位生長MnO2納米片，進而得到MnO2/VFG-Al復合電極材料。實驗結果表明，MnO2/VFG-Al復合電極材料具有獨特的三維多孔開放性結構，并可充分利用MnO2與VFG兩者在儲能性能、電學性能以