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高体积能量密度超级电容器: 用自支撑致密体石墨烯的结构设计

随着人们对便携式电子设备和混合动力电动汽车需求的增加,超级电容器引起了电化学工作者们广泛的关注和研究。石墨烯具有独特的二维结构、高的比表面积和优良的导电性,作为超级电容器电极材料显示出优越的高功率优势,然而其能量密度仍不高,还需进一步提高。此外,石墨烯电极材料的密度很低(<0.5 g cm-3),导致其体积功率和密度都很低,进一步限制了石墨烯基超级电容器的广泛应用。

最近,哈尔滨工程大学范壮军教授研究团队提出了一种新策略,通过低温热还原臭氧处理的氧化石墨烯,获得大量石墨烯碎片支撑的功能化石墨烯材料。臭氧处理使氧化石墨烯片上增加了较多的缺陷活性点以及含氧官能团,在热还原过程中,缺陷氧化石墨烯片易分裂成小碎片,夹杂在石墨烯片层间形成具有自支撑、致密体结构石墨烯。自支撑结构提供了连续的离子运输通道和高效的离子接触表面积,而大量稳定的含氧官能团能够提供高的赝电容。研究表明,经过该方法制备的石墨烯材料作为超级电容器电极具有优良的电化学性能,在扫描速度为2 mV s-1下,其体积比容量高达400 F cm-3,高于目前报道的大多数碳材料;同时具有优异的倍率性能和循环稳定性,电极材料循环10000圈后其比容量几乎没有衰减。此外,利用该材料组装的超级电容器,其体积能量密度高达27 Wh L-1。相关结果发表在Advanced Energy Materials上(DOI:10.1002/aenm.201500771)。

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