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基于碳纳米管和石墨烯的柔性超等电容器设想-j
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2018-01-10

【弁言】

跟着柔性可穿着电子器件的快速生长,人们对与之对应的柔性储能器件的需求逐渐增添。但是,运用刚性外壳和液态电解质的传统电池、超等电容器等难以实现柔性事情条件下的储能需求取运用。因而,具有优越柔韧性、快速充放电倍率和少轮回寿命的超等电容器成为近来研讨热点。为了战胜传统超等电容器构造刚性的瑕玷,除挑选柔性集流体和固态电解质中,分解同时具有优秀储能机能和力学稳定性的电极质料是构建柔性超等电容器的要害。碳质料、金属氧化物/氢氧化物和导电聚合物是常用的电容器质料,个中,碳纳米管和石墨烯等低维碳质料具有优越的导电性和力学强度,同时具有较大的比表面积,正在制备柔性超等电容器方面有伟大的运用潜力。近年来,人们正在运用碳纳米管和石墨烯及其复合物制备柔性超等电容器方面与得了愈来愈多的希望。-金沙7817

克日,山东大学化学取化工学院张进涛课题组正在Science China Materials宣布了题为“Recent Advances in Flexible Supercapacitors Based on Carbon Nanotubes and Graphene”的综述文章(第一作者为山东大学化学取化工学院硕士研究生李康,doi: 10.1007/s40843-017-9154-2)。该论文总结了碳纳米管和石墨烯纳米构造电极质料正在柔性超等电容器中的运用,重点引见了具有一维、二维和三维等差别纳米构造的柔性电极的设想制备要领、构造特性和储能机能,并议论了柔性超等电容器生长现存的应战和将来的远景。

【简介】

超等电容器一样平常分为双电层电容器(EDLC)和赝电容超等电容器。个中,EDLC重要经由过程电极外面和电解液离子之间的物理吸附,正在电极/溶液界面处构成双电层来贮存能量;赝电容则重要来源于电极外面和远外面的可逆法拉第回响反映。比拟于电池,超等电容器的能量密度较低,但一样平常具有更高的功率密度,更长的轮回稳定性和更高的倍率机能。在此基础上,柔性超等电容器还要知足正在折叠、拉伸、紧缩等条件下的储能需求。碳纳米管和石墨烯质料曾经正在催化、电池等范畴实现了普遍运用。得益于大的比表面积,下导电性和稳固的化学和力学性子,碳纳米管和石墨烯正在制备柔性超等电容器方面一样极具潜力。

【柔性电容器的评价要领】

比容量,能量密度和功率密度是评价超等电容器的重要目标。三电极系统和两电极系统被普遍用于评价超等电容器的机能。然则,二者具有较大的差别。比方,三电极系统多用于研讨活性质料自己的根基电化学性子和电容行动,而两电极系统则更靠近于现实应用时超等电容器的组织。因而,当评价超等电容器整体器件机能时更合适运用两电极系统停止评价。超等电容器的电化学机能表征手艺重要经由过程轮回伏安法和恒流充放电法测试。然则,关于柔韧机能的测试现在还没有统一标准,多经由过程正在折叠、拉伸、紧缩和扭曲状况下对器件的电化学机能停止测试,去考证柔性电容器是不是能够正在形变条件下一般事情,依此去评价电容器的柔性和构造稳定性。

【基于碳纳米管质料的柔性超等电容器】

单根碳纳米管的性子受直径、手性及包角的影响伟大,现实运用中碳纳米管多以薄膜、阵列和交联三维构造情势存在。

基于碳纳米管薄膜的柔性超等电容器

正在恰当条件下,碳纳米管之间会相互交错构成具有匀称电学性子的薄膜。化学气相堆积、真空抽滤、界面回响反映和打印等手艺皆被用来分解适用于柔性电容器的碳纳米管薄膜。这些薄膜借能够作为进一步负载其他质料的柔性基底。

基于碳纳米管阵列的柔性超等电容器

碳纳米管薄膜正在构成历程中因为碳纳米管的随机分列和聚集,电荷正在转移历程中会随机经由过程碳管网络的界限,低落了电荷转移效力。定向分列的碳纳米管则具有更高的导电性和电荷传输效力。碳纳米管阵列能够经由过程化学气相堆积、自组装、火热等要领分解。具有三维构造的阵列也能够凭据需求挤压大概纺织构成导电性优越的碳纳米管薄膜或碳纳米管纤维,进一步增添其运用局限。

其他构造的碳纳米管柔性超等电容器

除薄膜和阵列构造之外,包孕碳纳米管网络,三维碳纳米管海绵,碳纳米管纱等一系列差别构造皆被分解并应用于柔性超等电容器中,因为这些构造兼具下导电性和大比表面积,一般作为基底去负载其他活性质料。

【基于石墨烯质料的柔性超等电容器】-j

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石墨烯具有优秀的电学、力学和热学机能,但是石墨烯片层之间的堆叠和团聚严峻影响了石墨烯的机能,限定了其正在柔性超等电容器方面的运用。分解差别描写和构造的石墨烯是制备柔性石墨烯电极质料的要害。

基于石墨烯纤维的柔性超等电容器-澳門金沙娱乐场

石墨烯纤维能够经由过程火热,湿纺,自组装等要领分解。因为其优越的力学性子和导电性,石墨烯纤维能够纺入其他编织物,正在可穿着织物方面具有很大的运用潜力。

基于石墨烯薄膜的柔性超等电容器

石墨烯薄膜能够经由过程真空抽滤、滴涂、层层自组装等要领分解。固然石墨烯薄膜具有下导电性和优越的柔韧性,但石墨烯片层间的团聚不只低落了其表面积,借影响了电解质离子的传输,以是石墨烯薄膜正在运用中一般会到场距离质料比方碳黑、碳纳米管、表面活性剂等。距离质料的到场每每能大幅度进步质料的电容机能。

基于三维石墨烯框架结构的柔性超等电容器

一维石墨烯纤维和二维石墨烯薄膜皆展示出了优异的电化学机能。然则,正在保持构造稳定性和容量稳定性的基础上进步活性物资负载量仍是一个应战。三维石墨烯框架结构具有较好的导电性和润湿性。同时,也具有更高的活性物资负载量,有利于进步柔性电容器的能量密度。火热、冷冻枯燥、化学气相堆积等要领能够用于分解三维石墨烯质料。

【总结和瞻望】

碳纳米管和石墨烯质料从微纳构造上可分别为一维纤维或纱状构造、二维薄膜状、三维阵列或框架结构,差别的构造对其电容机能有明显影响。近年来,碳纳米管和石墨烯质料已被普遍天应用于柔性超等电容器的构建,与得了敏捷的生长。然则,仍存在一些题目和应战。比方,三维多孔的石墨烯质料虽具有更大的离子打仗面积和可压缩性。然则,一维石墨烯纤维一般具有更高的力学强度。怎样凭据现实运用需求制备具有优越柔韧和储能机能的碳纳米管或石墨烯仍是当前研讨中的重点。同时,低成本可批量化生产的分解手腕运用借很少,限定了质料的现实运用。另外,基于柔性超等电容器的集成器件构建是当前主要的发展方向。比方,将太阳能电池和柔性超等电容器集成的自供电器件已有报导。集成度下的器件正在可穿着装备范畴具有辽阔的运用远景。

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