基于弹性石墨烯气凝胶的超级电容器及弹--电化学传感器研究

摘要

与传统的电池和介质电容器相比，超级电容器(SC)代表着一种新型的储能器件，这可以归因于它具有能量密度高、充放电速度快、循环寿命长等特点。然而，高性能电容器电极材料的制备方法一直是研究的热点。为了有效地改善其性能，采用一种简单低成本的方法制备出柔性可压缩SC具有重要意义。此外，少量的研究表明电容器器件可以从外力机械做功中收获获取能量。这些研究成果为我们将力与电化学相结合和拓展超电容器的应用领域提供了新的思路。因此，研究力与电化学在外力下的相互作用具有重要意义。本文的具体研究内容如下: (1)通过简单的自然干燥方法(ND)，我们制备出一种氮硼共改性的超弹性石墨烯气凝胶(GA)。制备出的气凝胶具有坚固的三维网络结构，即使在80％的应变下也能表现出高度可重复性的压缩性能。此外，该气凝胶材料在电流密度为0.25A g-1时表现出336F g-1的高比电容，在47.25W Kg-1的功率密度下具有13.99Wh Kg-1的能量密度，并且2000个电化学循环测试后电容保持率高达90.74％。基于GA电极组装的对称式SC器件结构，我们初步设计出一种简易的新型自供电应力传感器。 (2)为进一步更深入地探讨在外加应力作用下，力与电化学之间的相互作用，我们组装了一种可压缩对称全固态SC器件。该对称器件在240W Kg-1时表现出23.08Wh Kg-1的高能量密度。结合GA的良好压缩性和优异的电化学性能，本人设计了一种新型的应力传感器—弹电化学应力传感器。该器件实现了将机械能转化为电化学能，并且该传感器对施加的应力有稳定而灵敏的电流响应。我们组装的高灵敏度弹电化学应力传感器为力与电化学的相互作用机理提供了新的认识。 (3)我们将此弹电化学模型进一步应用于非对称弹性SC中，此器件以CoMn2O4/rGO为正极，N、B、S共掺杂弹性GA为负极。经研究发现，该器件表现出优异的电化学性能，在功率密度为400.00W Kg-1的情况下，呈现出53.33WhKg-1的能量密度。而且此非对称器件能够很好地作为一种轻便的便携式应力传感器，可以感知外部机械负载和显示出出色的弹性。在0.1-10N的载荷应力范围内，装置对外部施加的应力表现出敏感的电流响应。这归结于弹性气凝胶在压缩过程中通过调节器件内部电场、电荷密度和电解质接触面，从而发挥了重要作用。 (4)在SC材料中，金属有机骨架代表了一种新型有序多孔电极材料，其简单方便的合成方法受到了研究者的广泛关注。在这项工作中，我们报道了一种新型的空心的十八面体金属有机骨架笼子结构。由于其特殊的多面体特征，在表面上暴露出更多的活性位点，所制备的空心的十八面体金属有机骨架笼子表现出优异的电化学储存性能，在1.0A g-1的电流密度下表现出948F g-1的电容，在功率密度为250W Kg-1下能量密度达到32.90Wh Kg-1。我们制备出的新型十八面体笼子结构为未来的新型MOF纳米框架设计提供了新的思路。