由柔性石墨烯膜构筑的具有三明治结构的超级电容器

“不含导电添加剂、粘结剂、商业化隔膜以及集流体的超级电容器”,这项由清华大学深圳研究生院的科研人员发表在Advanced Materials Interfaces上的研究成果,读起来像下午茶盒子上面的健康声明。严肃地说,是读起来像工艺极其简单、成本低廉的超级电容器的制备说明书。该器件是由二氧化钛(TiO2)辅助紫外光还原得到,由石墨烯构筑而成并具有三明治结构。

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在三明治结构 (rGO-TiO2/GO/rGO-TiO2) 中,上下两层是活性物质,是由还原氧化石墨烯(rGO)和二氧化钛(TiO2)复合而成,中间层是由氧化石墨烯(GO)膜构成。在该由层状膜构筑得到的电容器中,GO膜不仅可以作为隔膜,而且能吸收并存储电解液,从而提高离子扩散速率,进而提高电容器的容量与倍率性能。

在采用真空抽滤的方法来构筑上述层状膜时,可以通过精确调控氧化石墨烯溶液的添加量来控制三明治结构中每一层的膜厚。在TiO2的辅助下,用紫外灯照射干燥的GO膜可以将其还原成rGO膜。

研究人员发现,还原时间能显著影响还原氧化石墨烯(rGO)和二氧化钛(TiO2)复合活性层的电化学性能,最佳还原时间为40分钟。少于40分钟的还原时间不能彻底的将氧化石墨烯还原,会导致活性层的电导率过低,因而会降低电容器的电化学性能。当还原时间高于40分钟时, GO表面的含氧官能团会被大量除去,会降低电容器的赝电容。

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该柔性电容器同样展现出良好的机械稳定性,在测试过程中将其弯折90°和180°并未改变其电化学性能。

研究人员运用简易的方法通过控制制备参数得到的致密、超薄的具有柔性的超级电容器,这样的方法可以推广到其它能量存储器件中。

相关研究成果发表在Advanced Materials Interfaces(DOI: 10.1002/admi.201700004)上,第一作者为清华大学深圳研究生院的Jiamei Du。