新型石墨烯基微型超级电容器的制备及性能研究

摘要

集成电子产品的快速发展增加了小型化和芯片储能单元的需求，电子工业向着微型、便携式、柔性和高度集成的电子产品方向发展。目前薄膜电池或微电池已经应用在商用小型设备中，但它们的使用寿命短、结构复杂、难以集成。而超级电容器可克服这些缺点，尤其是将正负极设计在同一个平面上的微型超级电容器易于制备并集成到芯片电子产品中。石墨烯具有特殊的结构和优异的性质，理论比电容高，是一种极具发展潜能的电极材料。石墨烯基微型超级电容器电极的制备方法有很多，本文主要对激光雕刻、丝网印刷和喷墨打印这三种方法进行研究。
　　本论文的研究内容具体为：
　　1、石墨烯基微型超级电容器的激光雕刻技术制备。利用改进的 Hummers法制备的氧化石墨烯为原料，稀释到3.7 mg/mL，滴涂到PET上室温干燥制成氧化石墨烯薄膜。再将其贴在光雕光盘上，放入光雕驱动器按照电脑设计的叉指电极的图案进行雕刻。通过相应的测试研究了氧化石墨烯的沉积量和雕刻次数对样品的形貌和结构的影响。雕刻次数一定，沉积量为0.38 mg/cm2时激光雕刻石墨烯微型超级电容器的比电容最高（0.885 mF/cm2）；沉积量为0.38mg/cm2，雕刻次数为20次时，沉积在PET上的氧化石墨烯还原程度较高，比电容可达到2.9 mF/cm2。
　　2、石墨烯基微型超级电容器的丝网印刷技术制备。将购买的多层石墨烯与粘结剂按照一定的配比混合制备浆料，丝网印刷制备电极。通过显微镜、SEM观察到印刷效果较好。同时用自制的氧化石墨烯制备浆料进行印刷，再通过水合肼、氢碘酸和红外灯将电极还原，通过相应的表征发现采用水合肼还原的电极的电容性能最好，为4.9 mF/cm2。
　　3、石墨烯基微型超级电容器的喷墨打印技术制备。通过制备不同浓度的氧化石墨烯分散液并测定其粘度和表面张力，确定最佳浓度为6 mg/mL。为了高效降低氧化石墨烯的表面张力，采用全氟表面活性剂（FS-30）进行调节。将6 mg/mL氧化石墨烯与适量FS-30混合配制成浓度不同的墨水，最终制备了可通过万能打印机进行打印的墨水即6 mg/mL的氧化石墨烯和2.5 mg/mL的FS-30。先用万能打印机按照电脑设计好的叉指电极打印20次，再通过水合肼进行还原，测得比电容为1.9 mF/cm2。

目录

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缩略语表

第1章 绪 论

1.1 超级电容器的简介

1.2 石墨烯的简介

1.3 微型超级电容器电极的制备方法

1.4 本论文的研究背景及内容

第2章 实验材料及方法

2.1 主要实验原料

2.2 主要实验仪器

2.3 石墨烯基微型超级电容器电极的表征设备

2.4 石墨烯基微型超级电容器的电化学性能测试方法

第3章 石墨烯基微型超级电容器的光雕制备及性能研究

3.1 氧化石墨烯的制备及表征

3.2 氧化石墨烯膜的制备及表征

3.3 石墨烯基微型超级电容器的光雕制备及性能研究

3.4 本章小结

第4章 石墨烯基微型超级电容器的丝网印刷制备及性能研究

4.1 石墨烯基微型超级电容器的丝网印刷制备及性能研究

4.2 还原氧化石墨烯微型超级电容器的丝网印刷制备及性能研究

4.5 本章小结

第5章 石墨烯基微型超级电容器的喷墨打印制备及性能研究

5.1 喷墨打印制备石墨烯基微型超级电容器电极

5.2 喷墨打印制备石墨烯基微型超级电容器电极的性能研究

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录A（个人简历、攻读学位期间发表论文目录）