【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，具有超薄、超堅(jiān)固和超強(qiáng)導(dǎo)電性等特性，可以防銹、做超級(jí)電容、柔性電子線路、揚(yáng)聲器、水凈化等。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯在增強(qiáng)復(fù)合材料方面也體現(xiàn)了優(yōu)異的性能，可廣泛應(yīng)用于軍工、精密制造業(yè)用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)、飛機(jī)機(jī)翼和超堅(jiān)韌的防彈衣等軍工產(chǎn)品。
近日，中國科學(xué)院電工研究所馬衍偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)洠诟咝阅苁?fù)合材料制備、石墨烯基鋰離子電容器研制方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上。
鋰離子電容器作為一種有效結(jié)合鋰離子電池與超級(jí)電容器的新型電化學(xué)儲(chǔ)能器件，具有高功率密度、高能量密度以及長循環(huán)壽命，有效彌補(bǔ)了鋰離子電池和超級(jí)電容器之間的性能差異。電極材料作為鋰離子電容器的重要組成部分，是影響鋰離子電容器性能的關(guān)鍵因素。
精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程被認(rèn)為是提高電極材料電化學(xué)性能的有效方式之一。研究提出了一種通用靜電自組裝策略，在還原氧化石墨烯上原位生長了具有卷心菜結(jié)構(gòu)的MnO復(fù)合納米材料(rGO/MnO)。
研究通過深入的原位實(shí)驗(yàn)表征以及理論計(jì)算，證實(shí)了rGO/MnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的界面作用和良好的儲(chǔ)鋰動(dòng)力學(xué)。由于rGO/MnO復(fù)合納米材料具有高電荷轉(zhuǎn)移速率、豐富的反應(yīng)位點(diǎn)以及穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，基于rGO/MnO復(fù)合納米材料制備的電極具有高比容量(0.1 A/g電流密度下比容量為860 mAh/g)、優(yōu)異的倍率性能(10 A/g下比容量為211 mAh/g)以及長循環(huán)穩(wěn)定性。因此，rGO/MnO復(fù)合納米材料可作為高性能鋰離子電容器理想的負(fù)極材料。
通過將這種高性能石墨烯基復(fù)合材料作為負(fù)極與活性炭正極進(jìn)行組裝，研究制備出柔性固態(tài)鋰離子電容器(AC//rGO/MnO)。經(jīng)測(cè)試，這一電容器基于電極活性材料總質(zhì)量的能量密度最高達(dá)到194 Wh/kg，功率密度最高可達(dá)40.7 kW/kg。這是迄今為止報(bào)道柔性固態(tài)鋰離子電容器能量密度和功率密度的最高值。此外，在10000次充放電循環(huán)后，AC//rGO/MnO電容器的容量保持率可達(dá)77.8%，且安全性能高。
該研究提出的金屬氧化物/石墨烯復(fù)合材料設(shè)計(jì)策略在高能量密度和高功率密度的柔性鋰離子電容器中具有很好的應(yīng)用前景。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院大連潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、中科院青年促進(jìn)會(huì)等的支持。
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