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科技改变生活,石墨烯助力平面超级电容器

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科技改变生活,石墨烯助力平面超级电容器

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随着小型化和可穿戴式电子产品的不断发展,人们对微型存储系统的需求日益迫切,如手机、电脑和机器人等,在微小化、集成化和环保化有着越来越紧迫的需求。平面超级电容器在保证高储能密度、高充放电速率和良好循环稳定性的基础上,满足了手机、电脑、机器人等精密仪器对储能单元的实际要求,可与便携式电子产品高度兼容,实现了微型储能器件功能集成化的要求。 

碳质材料常被用于做电极材料,如活性炭,碳纳米管、碳气凝胶和混合碳等。石墨烯,由二维 sp2杂化碳原子结合的单层薄膜,相较于以往的碳族材料,拥有更高的电导率,更大的比表面积,更强的机械稳定性,能够满足储能器件对电极材料的所有要求。

传统的三明治结构石墨烯超级电容器的石墨烯和集流体处于相互平行状态,为保证不发生短路,电极间距离不能过小,但离子却要沿着垂直于集流体的方向传输,导致离子传输效率低下。而石墨烯平面超级电容器中的石墨烯与集流体处于垂直状态,为离子提供更多传输位点的同时能有效地降低电容的厚度,因此极大地减短了离子的传输路径,离子可以充分地利用石墨烯的层间空隙进行快速传输,从而有效地提高了超级电容器的功率密度;此外,石墨烯与集流体间的垂直结能很好地降低它们的接触电阻,并能在折叠弯曲的情况下更好地保证电容性能的发挥。中国科技大学吴长征课题组通过将MnO2 纳米薄片复合到石墨烯片上而形成层层交叠的平面超级电容器,其在 0.2A/g 和 10A/g 的电流密度下比电容分别为 267F/g 和 208F/g,循环 7 000 次后保持率为 92%,并在 1 000 次全角度折叠和弯曲后还保持 90%的比电容。 

对于超级电容器来说,石墨烯电极比其他碳材料电极的充放电性能更优,平面结构比双电层结构性能更好, 改变传统超级电容器中石墨烯与集流体的平行结构,能够制造出功率密度更高、柔韧性能更好的平面超级电容器,使超级电容器向更加小型化、柔韧化发展。