石墨烯在离子液体电解液中电化学性能的研究

摘要

随着全球环境不断的恶化和化石燃料的大量消耗，人们对于绿色、可持续、高性能的储能器件越来越关注。基于充放电速度快、功率密度高、循环寿命长和安全环保等一系列的优点，超级电容器目前得到了广泛的运用。石墨烯是一种由碳原子通过SP2杂化得到的二维平面结构。由于石墨烯具有优越的导电性，高比表面积和极佳的力学性能，因此石墨烯被认为是一种非常理想的电极材料。此外，电解液也是超级电容器的一个重要组成部分。近年来，离子液体作为一种新型的电解液，已经开始取代传统水系和有机体系的电解液，这是因为离子液体具有宽的工作电压，不挥发，不易燃，稳定性高的特点。
　　首先我们在改进Hummers法的基础上进行了优化，制备了高质量的石墨烯。根据SEM和BET的表征发现，石墨烯被有效的剥离成了很薄的片层，并且呈现出介孔结构。我们以石墨烯作为电极，以离子液体作为电解液组装成扣式的超级电容器，系统的研究了石墨烯在具有不同官能团的离子液体电解液中的电化学性能。结合得到数据，通过建模的方法发现:离子液体的粘度，离子半径和分子量大小会对石墨烯超级电容器的电化学电容性能产生很大的影响。通过选择合适的官能团，可以使离子液体电解液呈现不同的特性，从而获得高性能的石墨烯离子液体超级电容器。
　　其次，我们制备了固态离子液体凝胶电解质，发现这种凝胶电解质具有高的透光性和优越的力学性能。此外，石墨烯电极和这种离子液体凝胶电解质具有很好的搭配性。因此，我们通过真空抽滤-剥膜的方法，在柔性的PET基底上沉积了石墨烯透明导电薄膜。然后以石墨烯薄膜作为电极，以离子液体凝胶为电解质，构建出一种新型的全固态、柔性、透明的超级电容器，通过测试发现:这种全固态超级电容器不仅可以透光，可以弯折，并且具有较好的电化学性能，最大工作电压可以超过2.5 V，电容可以到达30 uF/cm，更重要的是在弯曲的条件下也可以正常的工作。
　　最后，我们通过电弧放电法快速的制备了导电率高、结晶性好、稳定性极佳的石墨烯纳米片。随之，我们将所制备的石墨烯纳米片作为导电添加剂加入到离子液体聚合物凝胶中，得到了一种高电导率的凝胶电解质。结果表明，这种改性的电解质具有非常好的热稳定性(＞400℃)和宽的工作电压(＞3 V)，然后以它作为电解质组装成了全固态超级电容器，发现比未改性的电解质具有更好的电化学性能，特别是具有更小的电阻，更高的比电容和更好的倍率，循环性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超级电容器的概述

1．1．1 超级电容器的工作原理

1．1．2 超级电容器的特点

1．1．3 超级电容器的应用

1．2 超级电容器的电极材料

1．2．1 金属氧化物

1．2．2 导电聚合物

1．2．3 碳材料

1．2．4 石墨烯

1．3 超级电容器的电解液

1．3．1 传统电解液

1．3．2 离子液体电解液

1．3．3 固态电解质

1．4 本文构想

第2章 石墨烯在离子液体电解液中储能机理的研究

2．1 引言

2．2 实验过程

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验设备

2．2．3 表征手段

2．2．4 实验方法

2．3 实验结果

2．3．1 石墨烯的表征

2．3．2 离子液体的选择

2．3．3 电化学测试结果

2．4 本章结论

第3章 全固态柔性石墨烯离子液体超级电容器

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验设备

3．2．3 表征手段

3．2．4 实验方法

3．3 实验结果

3．3．1 离子液体凝胶的表征

3．3．2 石墨烯薄膜的测试

3．3．3 电化学测试结果

3．4 本章结论

第4章 电弧放电石墨烯改性离子液体凝胶固态电解质

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验设备

4．2．3 表征手段

4．2．4 实验方法

4．3 实验结果

4．3．1 电弧放电石墨烯的表征

4．3．2 改性的离子液体凝胶的性质

4．3．3 电化学测试结果

4．4 本章结论

结论

参考文献

致谢

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