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我所在石墨烯基超级电容器电极材料研究方面取得系列进展
发布人:王亚明  发布时间:2015-12-03   浏览次数:138


在国家自然科学基金创新研究群体与哈尔滨工业大学基础研究杰出人才培育计划III类的资助下,我所王亚明教授课题组在石墨/石墨烯基超级电容器电极材料结构设计与调控、充放电机理与器件设计组装方面展开了系统研究,取得了一些列创新性的研究成果。

超级电容器作为一种储能器件,具有高功率、长寿命、高可靠性的特点,被广泛应用于新能源、电子器件、电动车等领域。目前对超级电容器的研究主要集中在保持其高功率特性的前提下,提高其能量密度。由超级电容器能量密度(E)的计算公式E=1/2(CV2)可知,可以通过:(1)开发具有高比容量C的新型电极材料;(2)设计具有高工作电压V的电容器体系,来达到提高超级电容器能量密度的目的。

我所研究人员利用高能球磨的方法将天然鳞片石墨剥离粉碎,获得了一种具有高比表面积(422 m2/g)的非晶碳材料,该材料可以显著抑制水系超级电容器中负极的氢气析出,进而将水系超级电容器电压拓展至1.6V。该研究成果于2012年发表于电化学领域著名期刊《Journal of The Electrochemical Society》(影响因子3.223)。为进一步拓展水系超级电容器的工作电压,我所研究人员采用石墨烯为负极材料,二氧化锰为正极材料,构建了稳定工作电压达2.0V的石墨烯//MnO2非对称超级电容器体系。该成果于2013年发表于电化学领域知名期刊《Journal of Electronalytical Chemistry》(影响因子2.729),截止至目前为止,该论文已被他引41次。

图1石墨烯//MnO2非对称超级电容器示意图、材料形貌表征与超级电容性能

利用氧化石墨烯在水热环境中的自组装响应,我所研究人员通过引入添加剂,实现了氧化石墨烯转化碳球的水热法自组装制备,并探索了其转化机制与超级电容特性。研究成果于2013年发表在碳材料领域著名期刊《Carbon》。在此工作基础上,我所工作人员发现了氧化石墨烯转化碳球在电子束激发特有的刺激-响应行为(体积膨胀与空心化),该行为有望在智能材料与器件领域获得应用。研究成果于2014年发表于化学类知名期刊《RSC Advances》。

    针对流体诱导(真空抽滤)自组装制备的石墨烯薄膜普遍存在紧密叠层与团聚的问题,我所研究人员通过在石墨烯层间引入纳米级的炭黑颗粒,解决了石墨烯薄膜的叠层与团聚问题,以该薄膜为电极材料构建了具有高功率特性的固态超级电容器,该电容器同时还具有柔性可弯折的优点。研究结果于2014年发表于能源领域权威期刊《Journal of Power Sources》(影响因子6.217),该论文已他引16次,被评为ESI高被引论文。在此工作基础上,通过在石墨烯表面生长MnO2纳米颗粒,获得了石墨烯/炭黑/MnO2三元复合薄膜,并以此三元膜为正极,石墨烯/炭黑二元膜为负极,构建了工作电压为1.8V的非对称固态柔性超级电容器,该电容器同样显示了极高的功率特性(45kW/kg)。研究成果于2015年发表于电化学领域著名期刊《Electrochimica Acta》。

图2石墨烯/炭黑复合膜的设计制备示意图、宏微观形貌及其超级电容性能

针对聚吡咯在充放电过程中由于体积效应导致的循环失效问题,我所工作人员利用氧化石墨烯的阴离子特性,通过电化学共沉积制备了具有三维交联结构的氧化石墨烯/聚吡咯复合薄膜。该薄膜中氧化石墨烯为聚吡咯提供了有效的机械支撑,三维结构为聚吡咯的体积效应提供缓冲空间,以此薄膜电极构建的水系和固态超级电容器显示出高比容量与长寿命的特点。研究结果与2015年发表于能源材料领域著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》(影响因子7.443),我所博士生曹建云为文章第一作者,王亚明教授为唯一通讯作者。

图3三维交联结构氧化石墨烯/聚吡咯复合膜的宏微观形貌及其超级电容性能

在上述工作的基础上,王亚明课题组撰写的Review评论文章《Materials and fabrication of electrode scaffolds for deposition of MnO2 and their true performance in supercapacitors》在能源领域著名期刊《Journal of Power Sources》上发表,博士生曹建云为该论文第一作者,我所为第一通讯单位。本论文对当前众多二氧化锰电极的结构设计与制备方法进行了详细的评论和解释,并指出了当前对客观评价MnO2电极真实性能存在的误区。来自英国艾克赛特大学的Dr Xiaohong Li和南安普敦大学的Frank Walsh教授参与了该论文的部分工作。该论文的发表标志着我所在超级电容器电极材料方面的研究得到本领域国际学者的高度认可和关注。

联系人:王亚明 wangyaming@hit.edu.cn