基于石墨烯的超級電容器和鋰-硫電池制備與性能研究.pdf

1、目前，商業(yè)超級電容器的能量密度相對于電池來說還比較低;鋰-硫電池較差的循環(huán)穩(wěn)定性是其商業(yè)化的主要阻礙。因此，進一步提高超級電容器的能量密度，改善鋰-硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性具有重要的研究意義。石墨烯，一種由碳原予以蜂窩格子狀緊密排列的單原子厚的二維晶體材料，具有超高的理論比表面積，優(yōu)異的導電性，機械柔性，以及化學和熱學穩(wěn)定性，使其非常適合作為導電負載基底應用到各種儲能電極材料制備中。
　　本論文將石墨烯應用到超級電容器、鋰-硫電池高性能

2、電極材料制備中，提高了超級電容器的能量密度，改善了鋰-硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，我們還首次將氧化石墨烯應用到超級電容器凝膠聚合物電解質(zhì)改性中，得到了高性能的全固體超級電容器。
　　1.我們以交聯(lián)的氧化石墨烯/聚乙烯醇水凝膠為前驅(qū)體，通過水熱碳化、化學活化的過程，制備得到了石墨烯/無定形碳復合碳材料。通過將氧化石墨烯單分散、固定在交聯(lián)聚乙烯醇水凝膠前驅(qū)體中，使石墨烯能夠均勻的分散在復合碳材料中，作為導電通道提高了復合碳材料的導電性;

3、由于水熱碳化產(chǎn)物具有高化學活化活性，使得得到的復合碳材料具有高的比表面積。由于石墨烯/無定形碳復合碳材料同時具有優(yōu)異的導電性，高比表面積，和豐富的中孔孔徑分布，使其非常適合作為電極材料應用到超級電容器中。通過對超級電容器進行電化學性能表征，證明了其在有機系電解液、離子液電解液中具有優(yōu)異的比電容性能、功率密度和能量密度。由于該復合碳材料的原料便宜，制備方法簡易，性能優(yōu)異，因此非常適合大規(guī)模制備，是一種具有重大應用價值的超級電容器電極材料。

4、
　　2.我們以聚合物(聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP)))為高分子基底，離子液(1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(EMIMBF4))為支持電解質(zhì)，氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)為添加劑，通過溶液混合、澆筑的方法制備得到了高離子導電性、寬電壓穩(wěn)定窗口、優(yōu)異熱穩(wěn)定性的氧化石墨烯摻雜的離子液凝膠聚合物膜(P(VDF-HFP)-5EMIMBF4-1 wt％OO)。我們以商業(yè)活性炭材料RP20作為電極材料

5、，P(VDF-HFP)-5EMIMBF4-1wt％GO作為凝膠聚合物電解質(zhì)組裝了固體超級電容器，通過電化學性能表征證明了P(VDF-HFP)-5EMIMBF4-1wt％GO固體超級電容器相較于離子液EMIMBF4液體超級電容器具有更為優(yōu)異的的電化學性能，表現(xiàn)為更高的比電容值，更低的內(nèi)阻和更優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　此外，我們利用制備的石墨烯/無定形碳復合碳材料作為電極材料，P(VDF-HFP)-5EMIMBF4-1 wt％GO作為凝

6、膠聚合物電解質(zhì)，制備出了高性能的固體超級電容器。該固體超級電容器在維持高功率密度的同時，能量密度可以和鎳氫電池以及鉛酸電池相比擬，具有重大的實際應用價值。
　　3.我們通過水熱原位聚合、化學活化的方法，設計并成功制備了具有新穎結(jié)構(gòu)的石墨烯層狀多孔碳復合碳材料。在層狀多孔碳復合碳材料中，一層多孔碳均勻的負載在石墨烯的上下表面，使其同時具有高導電性，高比表面積，豐富的中孔孔徑分布，以及高孔容。層狀多孔碳復合碳材料新穎的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能

7、使其非常適合作為硫的負載基底應用到鋰-硫電池電極材料中。我們通過S/CS2溶液溶劑蒸發(fā)和硫高溫浸潤的方法制備得到了負載量為68 wt％的硫碳復合材料。層狀多孔碳復合碳材料同時具有的高比表面積、高孔容、以及高導電性，使高負載量的硫能夠以無定形態(tài)的形式高度分散，提高了硫的導電性和電化學活性，使鋰-硫電池具有高比容量;由于在石墨烯的上下表面負載了一層多孔的無定形碳，這些多孔的無定形碳在硫的電化學反應中作為微小的反應容器，能夠有效的阻止生成的聚