電極中碳納米管含量對(duì)其儲(chǔ)能性能影響的研究分析

高性能微型超級(jí)電容器的進(jìn)步在微型電子設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用中扮演著重要的角色。石墨烯由于其理論比表面積高、導(dǎo)電性好、機(jī)械性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是微型超級(jí)電容器電極材料的優(yōu)先選擇。但是，石墨烯本身二維結(jié)構(gòu)的特性造成其容易堆疊團(tuán)聚，阻礙其同電解質(zhì)的有效接觸，抑制該材料電化學(xué)儲(chǔ)能性能發(fā)揮。所以，迫切需要發(fā)展一種高效方法來調(diào)控石墨烯基電極結(jié)構(gòu)，緩解其堆疊團(tuán)聚問題，增強(qiáng)石墨烯基微型電容器電化學(xué)儲(chǔ)能性能。

西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李磊課題組針對(duì)這一問題，發(fā)展了一種高效方法制備石墨烯-碳納米管復(fù)合材料墨汁，進(jìn)而通過墨汁直寫技術(shù)制備了微型超級(jí)電容器。在器件電極材料中，碳納米管的加入可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電極結(jié)構(gòu)的直接調(diào)控，抑制石墨烯的堆疊團(tuán)聚現(xiàn)象。本文詳細(xì)地研究了電極中碳納米管含量對(duì)其電化學(xué)儲(chǔ)能性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨碳納米管含量的增加，微型超級(jí)電容器的面容量先增加，后降低。當(dāng)碳納米管的含量為5% 時(shí)，器件具有最優(yōu)的面容量，即在0.05 mA/cm-2時(shí)，面容量達(dá)到9.81 mF/cm-2，當(dāng)電流密度增加到0.40 mA/cm-2時(shí)，依然保持在8.05 mF/cm-2。

器件在0.026 mW cm–2的功率密度下實(shí)現(xiàn)了1.36 μWh cm–2的高面能量密度。同時(shí)，該器件也表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和循環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)不同彎曲應(yīng)變條件下，其面容量均沒有明顯的改變；在0.10 mA/cm-2的電流密度下進(jìn)行充放電循環(huán)，10，000 次循環(huán)后仍然有95.5% 的容量保持率。

該工作中發(fā)展的石墨烯基電極結(jié)構(gòu)調(diào)控方法對(duì)發(fā)展高性能石墨烯基微型超級(jí)電容器和解決其它二維材料存在的堆疊團(tuán)聚問題提供了可借鑒思路。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI： 10.1002/adfm.201907284）上。

超級(jí)電容器，尤其是雙電層電容器，是一種在電極表面快速存儲(chǔ)和釋放電荷的儲(chǔ)電裝置。由于高比表面積的電極能提升超級(jí)電容器的儲(chǔ)電容量（電容），因而超級(jí)電容器電極材料需具備高比表面積。最常用的增大電極比表面積方法是將電極材料制備為多孔結(jié)構(gòu)。然而，電極材料孔隙率過高會(huì)降低電極密度，并產(chǎn)生應(yīng)用層面的問題：

（ 1 ）低密度使得電極材料蓬松，增大超級(jí)電容器體積，不利于應(yīng)用于微型或便攜式電子器件；

（ 2 ）在電極中多余的孔隙會(huì)被液態(tài)電解液填充，無儲(chǔ)能能力，卻增加了器件質(zhì)量。同樣不利于在便攜式電子設(shè)備中的應(yīng)用。

因此，如何調(diào)控電極材料的比表面積和密度，而保留電極材料高比表面積的同時(shí)盡可能增大其密度成為超級(jí)電容器研究的挑戰(zhàn)。

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