基于激光诱导石墨烯的图案化超级电容器

作     者：李纪超 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张永来

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：激光诱导石墨烯 图案化 铁镍层状氢氧化物 超级电容器 柔性电子器件 

摘      要：在当今时代背景下,社会的发展越来越离不开电子设备,也因此对电能有更大的需求。虽然目前已经开展了风能、太阳能、潮汐能等新能源产业进行能量收集,但是由于时间和空间上的限制,这些能量并不能够产生连续且稳定的电能供各种设备使用,因此探索如何制备高效稳定的储能器件具有重要意义。在各种储能器件中,超级电容器因其高的功率密度、快的充放电能力、长的循环寿命等特点,在各个领域都展现了极大的应用潜力。而目前超级电容器的不足在于其能量密度较低,因此如何提升超级电容器的能量密度成为了研究的重点之一。许多研究表明,电极材料是决定超级电容器性能的关键因素,在众多材料中,石墨烯以优异的物理化学性质在超级电容器领域被广泛应用,但是仍然面临制备方法复杂、制备成本高、性能仍需提升、图案化程度低等挑战。针对以上问题,我们提出了使用激光诱导石墨烯(Laser-induced graphene,LIG)与具有高比电容的铁镍层状氢氧化物(Iron-nickel layered double hydroxide,Ni Fe-LDH)复合的方式制备高性能、图案化、柔性的超级电容器,并对其应用性能进行了展示,具体内容如下:1.以聚酰亚胺(Polymide,PI)薄膜为基底,通过激光诱导方式制备叉指电极图案的LIG,该方式工艺流程简便、制备成本低。然后通过滴涂的方式高效地完成电极材料的复合,再涂覆电解质组装成图案化Ni Fe-LDH@LIG超级电容器。之后从等效串联电阻、电极图形间距、Ni Fe-LDH分散液的浓度等参数角度对器件性能进行优化,并采取多种测试手段对复合电极的表面形貌、化学组成等进行了表征与分析,LIG的疏松多孔结构、Ni Fe-LDH的高比电容共同提高了超级电容器的性能,在10 m V/s的扫描速度下,面积比电容可以达到8.45 m F/cm,是未复合Ni Fe-LDH情况下的10倍。此外器件在不同弯曲角度下都可以保持原有的性能,并且在400次弯曲循环测试中性能没有明显下降,展现出了优异的柔韧性能。2.对NiFe-LDH@LIG超级电容器的实际供电性能进行测试,以串并联形式构建的超级电容器组均展现出了符合理论预期的电学性能。为了展示器件实际应用能力,搭建了以STM32F103C8T6为主控芯片,基于GDEW029I6F柔性显示模块的柔性显示系统,在3个串联的超级电容器组供能的情况下,成功实现了开关与图像切换功能。此外,由于柔性显示屏与超级电容器组均以PI为基底,因此可以将二者集成,集成部分可以实现反复弯曲和多方向弯曲且不影响系统工作。综上,本文将高比电容的NiFe-LDH材料与结构疏松多孔的LIG进行复合,制备出了性能优异的超级电容器,并使用超级电容器组成功实现了自主搭建柔性显示系统的工作,同时尝试了将超级电容器组与目前已有柔性电路进行集成,这为未来制备全柔性电路系统提供了新的解决方案。