基于二维材料的柔性自支撑电极的制备及电化学性能研究

作     者：耿家慧 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任鹏刚;靳彦岭;王乐力

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 081704[工学-应用化学] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：石墨烯 MXene 柔性超级电容器 自支撑 薄膜 

摘      要：随着可穿戴智能电子产品的兴起,要求开发与之匹配的新型柔性储能器件。柔性超级电容器具有高功率密度、长循环寿命、高安全性和良好的机械性能等优点,因而受到广泛的研究和关注。柔性自支撑电极不使用集流体、粘合剂或导电剂,需具备优异的电化学性能和机械性能,其设计和制备具有重要的研究意义。石墨烯、MXene等二维材料,具有优异的机械性能、大的理论比表面积和出色的导电性,是理想的柔性自支撑电极基底材料。然而二维材料普遍存在自堆积的现象,会减少活性位点,影响电化学性能。因此,本文以二维材料中石墨烯、MXene作为柔性衬底,针对其自堆积问题,制备结构稳定、性能优异的柔性自支撑复合电极,并对柔性自支撑电极的电化学性能进行了探究。研究内容如下: (1)针对石墨烯自堆积的问题,提出引入镍钴硫化物和碳纳米管作为插层材料的策略。采用水热法合成镍钴硫化物,电化学剥离制备石墨烯,再通过真空辅助抽滤法将镍钴硫化物、石墨烯、碳纳米管制成复合薄膜,最后再原位生长镍钴硫化物,制备出柔性自支撑石墨烯/镍钴硫化物/碳纳米管复合薄膜(EG/NCS/CNT-H)。在石墨烯片层之间引入镍钴硫化物(NiCo2S4)和碳纳米管(CNT)缓解石墨烯片的堆叠,镍钴硫化物贡献赝电容,碳纳米管提供层间的导电通路。EG/NCS/CNT-H柔性电极在0.2 mA cm-2时表现出2.34 F cm-2的高比电容。EG/NCS/CNT-H和商业活性炭(AC)作为正负极,PVA/KOH为固态电解质构建柔性非对称超级电容器(ASC),表现出高的能量密度(72.8 μW h cm-2)和功率密度(800 μW cm-2)。此外,在10 mA cm-2时,EG/NCS/CNT-H//AC ASC 器件循环 5000次后仍有92.9%的比电容,表现出高的电化学稳定性。此EG/NCS/CNT-H//AC ASC在实现优异电化学性能的同时,兼具出色的机械柔性。 (2)针对MXene自堆积的问题,提出引入石墨烯和碳纳米管制备复合薄膜的策略。通过真空抽滤法制备了 MXene/石墨烯/碳纳米管(MGC)复合薄膜,将石墨烯和碳纳米管引入到MXene纳米片层之间,增大层间距和比表面积,缓解MXene纳米片的堆叠,改善了电化学性能。所得的MGC膜的比表面积为112.259 m2 g-1,高于MXene膜的比表面积(93.088 m2 g-1)。在1 mA cm-2时,MGC膜的比电容为1862.5 mF cm-2,并在高电流密度20 mA cm-2时面积比电容仍有1525 mF cm-2,电容保持率高达81.88%,表现出卓越的倍率性能。以MGC膜和商业化活性炭(AC)为正负极,PVA/H2SO4为固态电解质,组装MGC//AC ASC装置,表现出高的能量密度(133.75 μW h cm-2)和功率密度(750 μW cm-2)。此外,在10 mA cm-2时,充放电循环8000次循环后仍有94.9%的比电容,单圈比电容的衰减率低至0.0119%。这些优点使得柔性超级电容器装置在可穿戴电子产品的应用中具有很大的前景。