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哈尔滨理工大学学报 2019年第1期24卷 132-137页

作者：张光宇尹雁赵鹏飞刘琳婧李闯吕胤霖陈玉娟朱大福杨昕瑞哈尔滨理工大学应用科学学院

为了研究化学气相沉积法(CVD)制备石墨烯电极性能,通过对CVD工艺参数的改进,成功地制备出了符合全固态平面微型超级电容器离子传输机制所需要的石墨烯薄膜电极。对比相同生长时间,不同甲烷浓度的石墨烯薄膜的性能;对比相同甲烷浓度,不... 详细信息

为了研究化学气相沉积法(CVD)制备石墨烯电极性能,通过对CVD工艺参数的改进,成功地制备出了符合全固态平面微型超级电容器离子传输机制所需要的石墨烯薄膜电极。对比相同生长时间,不同甲烷浓度的石墨烯薄膜的性能;对比相同甲烷浓度,不同生长时间的石墨烯薄膜性能。结果表明,温度1 000℃、甲烷流量35 sccm、氢气流量10 sccm、生长时间60 min时,制备出的石墨烯薄膜质量和性能最好。此时石墨烯薄膜具有较低的薄膜方阻(60.28Ω/sq-155.75Ω/sq),厚度为1.25 nm。为平面微型超级电容器的进一步研究提供了重要参考。

关键词：石墨烯化学气相沉积平面微型超级电容器

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平面微型超级电容器的石墨烯电极材料制备

平面微型超级电容器的石墨烯电极材料制备

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作者：赵鹏飞哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

平面微型超级电容器是一种具有体积小、储能密度高、充放电速度快、循环寿命长、使用安全等特点的新型储能器件,通常被用于微型电子器件的能源提供。平面微型超级电容器的性能主要取决于电极材料的性能。石墨烯作为一种新型的纳米材料,... 详细信息

平面微型超级电容器是一种具有体积小、储能密度高、充放电速度快、循环寿命长、使用安全等特点的新型储能器件,通常被用于微型电子器件的能源提供。平面微型超级电容器的性能主要取决于电极材料的性能。石墨烯作为一种新型的纳米材料,由于其具备独特的物理性能和化学性能,使其成为最重要的超级电容器电极材料。通过分析平面微型超级电容器离子传输机制,设计了小尺寸指宽和空隙的平面微型超级电容器构型,并以此为单体设计了串并联复合构型的平面微型超级电容器掩膜版。将制备好的石墨烯电极经过光刻、磁控溅射、超声波清洗剥离及等离子体刻蚀一系列工艺流程处理后,在其表面滴涂凝胶,完成了平面微型超级电容器的制备。为了探究铜箔预处理对于石墨烯生长的影响,我们对铜箔预处理前后的光学照片进行了分析。然后,通过拉曼光谱及原子力显微镜等表征结果分析得出了低压条件下,石墨烯在不同生长时间和甲烷浓度条件下的生长规律。结果发现:当生长时间为30min时,甲烷浓度为35sccm时,石墨烯电极是单层石墨烯;但当甲烷浓度高于35sccm时,石墨烯电极生长为多层石墨烯;在生长时间达到60min时,生成多层石墨烯,电导性较好,但是表面存在缺陷。综合以上结论,我们得出了石墨烯电极的最佳工艺参数:生长温度1000℃,甲烷流量35sccm,氢气流量10sccm,生长时间60min。通过测试,所得石墨烯具有较高的透光率(92.7%-95.2%)和较高的电导性(60.28-155.72Ω/sq)。

关键词：平面微型超级电容器石墨烯化学气相沉积法光刻技术电导性

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钴基电极材料的可控制备及其平面微型超级电容器性能研究

钴基电极材料的可控制备及其平面微型超级电容器性能研究

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作者：陈媛江苏大学

学位级别：硕士

近年来,随着集成化、便携式电子产品的快速发展,人们对小型化储能器件的需求日益增长。其中,平面微型超级电容器(MSCs)作为一种重要的小型化储能器件,可运用于集成的小型电子产品中,且易于制作。MSCs的活性层厚度通常在几十纳米到几个... 详细信息

近年来,随着集成化、便携式电子产品的快速发展,人们对小型化储能器件的需求日益增长。其中,平面微型超级电容器(MSCs)作为一种重要的小型化储能器件,可运用于集成的小型电子产品中,且易于制作。MSCs的活性层厚度通常在几十纳米到几个微米之间,可以有效缩短电解液离子的扩散路径,同时,该平面的设计方式能更多地暴露出活性材料的边缘,从而提供更丰富的活性位点。然而,目前已报道的平面微型电容器仍存在许多问题,如材料易堆积、电化学活性差、比电容和能量密度低等。因此,制备高性能MSCs仍然是一个巨大的挑战。法拉第赝电容材料,如金属氢氧化物和过渡金属硫族化合物(TMDs),通常具有良好的赝电容性能,丰富的活性位点,稳定的结构等优势。相比较碳基材料的平面MSCs,以金属氢氧化物和TMDs为活性层可以有效提升器件的比电容和能量功率密度。基于此,我们制备了钴基氢氧化物及其硫族复合物电极材料,通过复合碳基材料和TMDs,提高其导电性,研究了复合材料及其平面MSCs的电化学性能。主要研究内容如下:(1)通过回流加热工艺制备了二维α-/β-Co(OH)纳米薄片及α-Co(OH)/rGO复合片-片偶联复合薄膜。利用赝电容特性的超薄α-Co(OH)纳米片和具有双电层电容特性以及良好导电性的rGO纳米薄片的协同作用,可以在无需粘结剂的致密薄膜电极上实现离子的快速扩散和电子的高效传输。将α-Co(OH)/rGO油墨性混合浆料喷涂于Au/PET薄膜上可得到α-Co(OH)/rGO薄膜电极。将其作为正极,冷冻干燥的石墨烯(F-rGO)薄膜为负极,PVA-KOH为固态电解质,组装成三明治式α-Co(OH)/rGO//rGO非对称型MSCs。该超级电容器在电流密度为0.1mA/cm时的比电容为77 mF/cm@39 F/cm。另外,通过掩模板喷涂法将α-Co(OH)/rGO油墨性混合浆料喷涂到有Au叉指电极的PET膜上可得到对称型平面MSCs。该对称型MSC表现出高的面积和体积比电容(在电流密度为0.1mA/m时比电容为130 mF/cm@144 F/cm),高的能量和功率密度(0.018mWh/cm@0.05 mW/cm),同时具备良好的循环稳定性(2000次循环后,比电容保持93%)。(2)以六亚甲基四胺(HMT)作为缓冲剂和碱源,通过冷凝回流工艺及液相硒化处理,可得到α-Co(OH)纳米片表面部分硒化的α-Co(OH)/CoSe分级异质结构材料。通过调控Se粉与α-Co(OH)前驱体的比例,制备了不同硒化程度的α-Co(OH)/CoSe复合物,并对其进行电化学测试。将独特的超薄六边形纳米片α-Co(OH)组成的花簇状结构与导电性好的小型CoSe纳米片相结合,得到的复合材料具有较大的比表面积、较高的电导率和异质结构材料之间良好的分散性,从而有效缩短了电极和电解质之间电子和离子的运输路线。其中,Se粉与α-Co(OH)前驱体为1:1摩尔比条件下制成的α-Co(OH)/CoSe电极材料具有较高的比电容(在1 A/g电流密度下,1200 F/g)。将其制成对称型平面MSCs,其面积电容比为24 mF/cm,能量密度可达3.3 Wh/cm,循环5000次后,电容保持率为85%。(3)引入新的金属Ni元素提高材料的倍率性能,通过简单回流加热制备Ni-Co-LDH为前驱体,硒化后成功制备Ni-Co-LDH/CoNiSe复合物,并研究了其最佳的硒化程度。规则均匀的Ni-Co-LDH纳米片具有完全暴露的活性位点,在其表面生长的CoNiSe化合物,共同促使法拉第反应的高效进行,其中Ni-Co-LDH/CoNiSe复合电极有着非常优异的比电容(在2 A/g电流密度下,达到1276 F/g)。将优化的Ni-Co-LDH/CoNiSe复合材料作为正极,F-rGO作为负极制备非对称型平面MSCs。同时对比了两种类型平面MSCs的性能,其中,非对称平面MSCs表现出更高的能量密度(能量密度为87.1 mWh/cm,功率密度为0.685 W/cm)和优异的循环稳定性(5000次循环后,容量保持85%)。

关键词：平面微型超级电容器还原氧化石墨烯钴(镍)双金属氢氧化物钴(镍)硒化物高能量密度

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二维赝电容纳米片用于非对称平面微型超级电容器的设计构筑与性能研究

二维赝电容纳米片用于非对称平面微型超级电容器的设计构筑与性能...

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作者：赵方方苏州大学

学位级别：硕士

随着微型、便携式和高度集成电子设备的爆发式发展,对具有高能量转换的小型化储能器件的研究成为人们感兴趣的方向。平面微型超级电容器因尺寸小、电极具有开放的边缘、无需隔膜、可集成化等优势逐渐成为具有竞争力的候选储能器件。但... 详细信息

随着微型、便携式和高度集成电子设备的爆发式发展,对具有高能量转换的小型化储能器件的研究成为人们感兴趣的方向。平面微型超级电容器因尺寸小、电极具有开放的边缘、无需隔膜、可集成化等优势逐渐成为具有竞争力的候选储能器件。但它们普遍存在单位面积能量密度低的问题,造成此问题的主要原因有单位面积活性材料负载量低、容量低以及电位窗口窄等。在平面微型超级电容器中离子沿水平方向传输,二维材料因具有平面形态可以平行堆叠减小离子在平面微型超级电容器中沿水平方向扩散的阻碍,使离子的传输不受电极厚度的影响从而使材料的利用率达到最大。此外,具有高容量以及电位互补的赝电容材料能够有效地提高非对称平面微型超级电容器的电容和拓宽其电位区间,从而提高器件的能量密度。本文选用二维Ti3C2和MnO2赝电容纳米片通过真空抽滤结合膜转移的方法制备柔性叉指电极,并组装为非对称平面微型超级电容器。由于二维材料平行堆叠为离子在水平方向传输提供二维通道、电极在路易斯酸中呈赝电容特性而具有高电容、电位区间互补,微型超级电容器单位面积能量密度得到有效提高。具体研究内容如下:(1)电极的制备与表征选用具有赝电容特性的二维MnO2与Ti3C2纳米片为电极材料,通过真空抽滤将其制备成MnO2基和Ti3C2柔性薄膜,随后在机械压力下将薄膜转移到叉指形状的不锈钢网基底上。通过四探针测试,表明膜电极的导电性完全能满足构建器件的要求。通过X射线衍射、扫描电子显微镜等表征发现制备的膜电极具有层层有序的堆叠结构,这种结构在层间产生的二维通道为离子在水平方向上传输提供了一条高速通道。此外,叉指电极开放的边缘和叉指之间较小的间隙使电极材料与电解液充分接触的同时缩短了离子传输距离。该研究通过把二维赝电容纳米片组装为具有二维通道的平行堆叠结构,解决了在颗粒状材料中离子横向传输受限的问题,拓展了二维材料在能源存储领域的应用。(2)电极的电化学性能表征为了充分发挥膜电极的电化学性能,选择能同时展现MnO2基和Ti3C2膜电极优异赝电容特性的路易斯酸(LiCl)为电解液。通过观察在该电解液中电极伏安曲线的响应电位证明两电极具有大且互补的电位区间,能够有效的提高其组装超级电容器的能量密度。由于纳米片快速、可逆的赝电容反应以及层间存在的二维通道使离子能够快速传输,膜电极展现出高电容和优异的动力学性能。该探索通过筛选电极电化学反应参数,解决了电极容量低以及电位窗口窄等问题,为二维赝电容材料制备高电化学性能电极提供了优势。(3)非对称平面微型超级电容器的构建与性能探究以MnO2基叉指电极为正极,Ti3C2叉指电极为负极,选用安全性高的PVA/LiCl凝胶电解质组装非对称平面微型超级电容器。随着电极厚度的增加,平面微型超级电容器的面积电容成比例增加,与之相反,三明治结构超级电容器的面积电容增加到一定程度后开始急剧下降。这是由于在平面微型超级电容器中,离子能够沿着纳米片层间的二维通道快速的在水平方向传输,使离子的传输不受电极厚度的影响。因此通过厚度调节平面微型超级电容器能量密度被提高到了162 μW h cm-2(58 Whkg-1),同时保持高功率密度(2.7 mW cm-2,985 W kg-1)。此外,还展现出极高的倍率性能(保持83%即使电流扩大20倍)和柔性,即使在弯曲条件该器件仍然能够正常的工作。该研究通过把二维赝电容材料与平面微型超级电容器完美结合,解决了电极负载量低的问题,丰富了二维赝电容材料在微型可穿戴储能设备上的应用。

关键词：二维材料赝电容 MXene 氧化锰平面微型超级电容器

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碳纳米管含量对石墨烯平面微型超级电容器性能影响研究

碳纳米管含量对石墨烯平面微型超级电容器性能影响研究

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作者：朱鹏华哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

微型化电子产品的迅速发展迫切需要高性能的微纳能源存储器件。在该领域中,平面微型超级电容器（PMSs）具有巨大的潜力,它可以取代电池或电解电容器,便捷地与其他电子元件集成到芯片上,为电子设备供能或提供峰值功率。PMSs的电极材料是... 详细信息

微型化电子产品的迅速发展迫切需要高性能的微纳能源存储器件。在该领域中,平面微型超级电容器（PMSs）具有巨大的潜力,它可以取代电池或电解电容器,便捷地与其他电子元件集成到芯片上,为电子设备供能或提供峰值功率。PMSs的电极材料是决定其电化学性能的重要因素。在众多电极材料中,石墨烯因其具有优异的电导率和比表面积脱颖而出,成为PMSs电极材料的研究重点。石墨烯量子点（GQDs）比石墨烯有更大的比表面积和更多的表面活性位点,近年来也被广泛研究。虽然石墨烯与GQDs具有大的理论比表面积,可以为电荷存储提供较大的空间,但在实际制备过程中,两种材料常常会由于范德华力的作用产生聚集和堆积。将碳纳米管（CNTs）作为插层剂、导电添加剂、粘合剂加入到石墨烯和GQDs中是改善这一问题的绝佳选择。CNTs的含量是影响改善程度的关键,即CNTs加入两种材料中的多少直接影响了PMSs的性能。通过分析和初步实验探索,本论文制定了PMSs的研究方案。首先将CNTs加入到氧化石墨烯（GO）中,以不同的质量比制备出PMSs,探究CNTs的含量对器件性能影响,探究GO和CNTs的最佳质量配比。其次,将CNTs加入到GQDs中,以不同质量比制备出PMSs,探究CNTs含量对器件性能影响,探究GQDs和CNTs的最佳质量配比。然后,在同一质量配比下,比较多壁碳纳米管（MWCNTs）和单壁碳纳米管（SWCNTs）对两种材料的改善效果,探究CNTs直径对器件性能的影响。结果表明,所制备的四种复合电极器件均在基体材料和CNTs质量比为8:1时综合性能最佳,SWCNTs对石墨烯片层聚集问题的改善作用强于MWCNTs。在所制备器件中,质量比为8:1的GO和SWCNTs器件的电化学性能最优,其面电容为1.13 m F cm-2,能量密度为0.26Wh cm-3,功率密度为1.76 k W cm-3,弛豫时间常数为3.16μs,经过10000次循环充放电后电容保持率高达97.6%。本论文为进一步研究基于CNTs和石墨烯复合PMSs提供了重要参考。

关键词：平面微型超级电容器电化学性能碳纳米管石墨烯光刻

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气液界面自组装还原氧化石墨烯平面微型超级电容器研究

气液界面自组装还原氧化石墨烯平面微型超级电容器研究

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作者：王欣哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

目前电子产品器件朝着微米级乃至纳米级的方向快速发展,导致对储能系统的要求越来越高,对新型能源存储系统的需求越来越大,平面微型超级电容器作为一种新型能源存储器件应运而生。平面微型超级电容器具有离子传输路径短的特性,使其具备... 详细信息

目前电子产品器件朝着微米级乃至纳米级的方向快速发展,导致对储能系统的要求越来越高,对新型能源存储系统的需求越来越大,平面微型超级电容器作为一种新型能源存储器件应运而生。平面微型超级电容器具有离子传输路径短的特性,使其具备更大的比电容。石墨烯由于其高导电率、高电子迁移率和独特的二维结构,成为一种非常理想的平面超级电容器电极材料。本文采用气液界面自组装法制备了氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)薄膜,通过HI酸还原法制备了还原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide,r-GO)薄膜,并利用制备的r-GO薄膜制备出平面微型超级电容器。本文采用气液界面自组装法和HI酸还原法,以不同浓度GO水溶液为原材料制备出r-GO薄膜,并对制备的薄膜进行原子力显微镜、X射线衍射测试和X射线光电子能谱测试及四探针测试。制备出的纳米级r-GO薄膜的碳氧原子比为7.7。本文通过调节GO水溶液浓度得到不同电导率的r-GO薄膜,当浓度为2mg/ml时,r-GO薄膜的电导率达到620.29 Scm-1。本文采用r-GO薄膜电极制备全固态超级电容器和全固态平面微型超级电容器,并对器件进行循环伏安测试,计算其电化学性能。计算结果为:全固态平面超级电容器测试的扫描速率越小,器件的电化学特性越好。在0.001 Vs-1的低扫速下,器件的面电容和体电容分别是69.565μFcm-2和2.334 Fcm-3,其能量密度为324.224μWhcm-3。全固态平面微型超级电容器测试的扫描速率范围为0.01 Vs-1到1000 Vs-1,在0.01 Vs-1的低扫速下,器件的面电容和体电容分别是20.889μFcm-2和6.528 Fcm-3,其能量密度为0.91 m Whcm-3。在1000 Vs-1的高扫速下,器件的功率密度为2.160 Wcm-3,并且其循环稳定性高达98%。本文实验研究表明,气液界面自组装法和HI酸还原法制备的r-GO薄膜电极适用于制备平面微型超级电容器。

关键词：还原氧化石墨烯气液界面自组装 HI酸还原循环伏安平面微型超级电容器

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PPy基平面微型超级电容器的制备及性能研究

PPy基平面微型超级电容器的制备及性能研究

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作者：马舜福州大学

学位级别：硕士

作为一种小型化的储能器件,柔性平面微型超级电容器（MSCs）具有高功率和长循环等优点,在微型可穿戴和柔性电子领域具有广阔的前景。然而,传统叉指电极制造方法（光刻、喷墨打印等）复杂且成本昂贵。据此,开发了一种以疏水性胶纸作为硬... 详细信息

作为一种小型化的储能器件,柔性平面微型超级电容器（MSCs）具有高功率和长循环等优点,在微型可穿戴和柔性电子领域具有广阔的前景。然而,传统叉指电极制造方法（光刻、喷墨打印等）复杂且成本昂贵。据此,开发了一种以疏水性胶纸作为硬模板制备图形化叉指电极的工艺。利用该工艺实现了镍纳米锥阵列（NNAs）和聚吡咯纳米管（PPy NTs）的叉指电极制备,研制出可转移和兼具柔性的基于PPy NTs的赝电容型MSCs,并系统研究了其电化学性能。进一步地,对PPy NTs高温碳化制备出氮掺杂碳纳米管（N-CNTs）叉指电极,研究了基于N-CNTs的双电层型MSCs的电化学性能。论文主要研究内容和结果如下:1.设计了一种以疏水性的胶纸作为掩模版来制备叉指电极的技术方案。通过在胶纸上图案化叉指形状来实现叉指电极的简易制备。该技术方案不仅可以实现两对电极之间有效物理隔绝,而且即贴即用的特点很好地解决了电极制备过程中工艺流程的复杂性和制备成本高的问题,为平面MSCs电极图案化设计提供了一种新颖的技术路线。2.利用胶纸为模板,成功研制出性能优异的柔性PPy NTs赝电容型MSCs。采用电化学沉积的方法在贴有疏水性胶纸的钛箔上制备了分布均匀、导电性优良的可剥离NNAs,并在其上成功负载了相互交错的PPy NTs导电网络。MSCs具有高达60.2 m F cm的面积比电容,且在弯曲180°下没有明显的电容损失,展示出很好的柔性储能特性。经过5000次循环后,电容的保持率在初始值的84.3%。同时,所制备的平面MSCs的最高功率和能量密度分别达到5.35μWh cm和2.0m W cm。故此,以可转移的NNAs为集流体,PPy NTs为赝电容活性材料的MSCs展现出了较好的性能。3.利用胶纸为模板,成功研制出性能较好的柔性N-CNTs双电层型MSCs。为了进一步提高器件的循环稳定性,将PPy NTs导电网络高温碳化为N-CNTs,以研究其作为双电层型MSCs的性能。研究了高温碳化温度对其性能的影响,表明在700℃时具有较好的性能表现。柔性MSCs器件在8μA cm的电流密度下的面积比电容可以高达606.1μF cm。值得一提的是,在经过12000次循环后,电容的容量保持率为95.2%,展现出优秀的循环稳定性。上述研究结果为低成本制备高性能平面MSCs以及柔性储能器件的开发奠定了一定的研究基础。

关键词：柔性平面微型超级电容器聚吡咯 N-CNTs 微型储能器件

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聚吡咯基电极材料的可控制备及其平面微型超级电容器性能研究

聚吡咯基电极材料的可控制备及其平面微型超级电容器性能研究

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作者：郑吉华江苏大学

学位级别：硕士

近年来,随着便携式、可穿戴式和植入式智能电子产品的极大发展,对于微型电源的需求也随之增加。微型超级电容器（Micro-supercapacitor,MSC）由于具有快速充电/放电能力、高功率输出、长循环寿命、易于制造和集成等特点,已成为广泛研究... 详细信息

近年来,随着便携式、可穿戴式和植入式智能电子产品的极大发展,对于微型电源的需求也随之增加。微型超级电容器（Micro-supercapacitor,MSC）由于具有快速充电/放电能力、高功率输出、长循环寿命、易于制造和集成等特点,已成为广泛研究的微储能器件之一。然而,目前已报道的MSC通常存在如机械性能较差、电极材料易堆积、能量密度低等缺陷。因此,制备具有良好机械性、高电化学性能的平面MSC仍为一个巨大的难题。目前已报道的电极材料中,具有高π共轭主链的导电高分子聚吡咯（Polypyrrole,PPy）不仅具有金属或半导体相似的赝电容行为,同时还有着传统聚合物优异的柔韧性及导电性等优点,在MSC领域被广泛使用。但其存在易团聚导致的容量低以及充放电时体积膨胀导致的循环稳定性差的问题。基于此,我们通过形貌调节以及与具有良好赝电容和导电性的过渡金属硫化物（Transition metal sulfides,TMDs）复合等方法,制备了具有优异性能的PPy薄膜及PPy基复合薄膜,同时探究了其在MSC中的性能表现。研究的主要内容如下:（1）首次通过喷涂法将模板负载于集流体上,并且将电沉积和刻蚀模板法相结合直接在金集流体上制备了多孔聚吡咯（Porous-PPy）薄膜。此方法将具有良好导电性、赝电容特性的PPy在导电集流体上制备成三维孔道网络薄膜,不仅避免了粘结剂的使用,降低了薄膜电极的电阻,同时孔道结构有利于离子的快速扩散和电子的高效传输。通过调控电沉积时长,可以控制PPy孔道的生长状况。沉积时长为120 s时,Porous-PPy的电化学性能最优。在0.2 m A/cm2的电流密度下,Porous-PPy具有118 m F/cm2的高面积容量,相较于无孔结构的PPy薄膜容量提升约95%。2500圈循环充放电测试后,稳定性提升16.3%。（2）通过刻蚀模板法和冷凝回流工艺制备了聚吡咯@硫化钴异质结构空心球（PPy-hs@Co S）。通过调控聚吡咯空心球（PPy-hs）和钴源、硫源的比例可以有效调控外层硫化钴（Co S）的包覆程度。包覆的Co S不仅提供电容贡献,同时还可以抑制PPy在充放电过程中对外的体积膨胀,有效提升了比电容和稳定性。得益于PPy-hs@Co S较高的比电容（1 A/g下电容为639.8 F/g）与AC（1 V）较大的电势窗口,制备的非对称MSC在0.3 m F/cm2电流密度下具有高面积容量（131.9 m F/cm2）、体积能量密度（25.6 m Wh/cm3@140.6 m W/cm3）以及优异的机械和集成性能。经过5000圈循环测试后,MSC容量仍能保留91.3%。（3）在体系二基础上引入Ni金属离子制备了聚吡咯@四硫化二钴合镍/硫化钴双金属异质结构空心球（PPy-hs@Ni Co2S4/Co S）。镍、钴金属的协同作用有效改善了单金属容量以及倍率性能不足的问题,制备的PPy-hs@Ni Co2S4/Co S（PPy@NCS/Co S）在1 A/g的电流密度下达到1487 F/g,并且在30 A/g时仍能具备55.6%的容量保留率。将活性材料喷涂成膜制备了对称型MSC,其在0.3m F/cm2的电流密度下仍具有66.2 m F/cm2的面积容量以及在2 m F/cm2电流密度下容量保留率为50.2%的优异倍率性能。此外,3000圈充放电测试后仍能保留95%的初始容量。

关键词：平面微型超级电容器聚吡咯钴(镍)硫化物空心球

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基于改进自组装石墨烯的可集成平面微型超级电容器研究

基于改进自组装石墨烯的可集成平面微型超级电容器研究

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作者：刘春凤哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

目前,电子器件正在向微型化、便携式、平面化、可集成领域发展,且平面片上微型超级电容器作为新兴储能元件不仅需要顺应发展趋势,还要均衡的提高其综合性能,且能够实现制备简单和批量生产,为其它微型电子设备提供较高能源,还可作为集成... 详细信息

目前,电子器件正在向微型化、便携式、平面化、可集成领域发展,且平面片上微型超级电容器作为新兴储能元件不仅需要顺应发展趋势,还要均衡的提高其综合性能,且能够实现制备简单和批量生产,为其它微型电子设备提供较高能源,还可作为集成电路及片上微纳电子器件的功率源。本文采用改进的气液界面自组装法制备氧化石墨烯薄膜,并且采用氢碘酸低温还原技术制备还原氧化石墨烯薄膜,通过AFM测试和四探针测试可知制备的还原氧化石墨烯薄膜厚度只有5 nm,计算得出电导率为975.61S cm-1,XPS测试和XRD测试表明氧化石墨烯薄膜被有效的还原,其碳氧比从还原前的1.49增加到8.94。本文采用光刻工艺制备电极间隙为10～0μm量级的平面片上微型超级电容器,并对其进行电化学性能测试,分析结果表明等比例窄化电极指宽和间隙,缩短了离子传输路径,实现极快的充放电速率,其间隙为6μm的平面片上微型超级电容器的时间常数只有2.60μs,可在极短时间内为大规模集成电路和片上微型器件提供较高的峰值功率。通过对CV曲线进行计算并分析数据,结果显示电极间隙为6μm的微型超级电容器具有优异的电化学性能,其面电容、体电容、能量密度和功率密度分别为32.44μF cm-2、64.87 F cm-3、9.01 m Wh cm-3和90.40 W cm-3,这表明了窄化电极宽度能够提高电荷存储能力和功率特性。本文设计了一种具有串联构型的平面片上微型超级电容器,其电极无附加内部连接相比较于金属导线连接和石墨烯电极连接的串联构型,极大程度地减少了内阻和中间连接的能量损耗,并且显著地提高了器件有效面积的利用率,便于可集成化和微纳器件的发展。此外,与单个微型超级电容器相比提高了输出电压,经实验数据表明串联结构的平面微型超级电容器体电容、能量密度和功率密度分别为58.94 F cm-3、8.19 m Wh cm-3、2.45 W cm-3,其电化学性能明显的优于单个器件。本项研究工作之前,制备完成了卷绕电极构型的平面片上微型超级电容器。

关键词：平面微型超级电容器石墨烯改进气液界面自组装集成光刻

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非对称超级电容器平面化的设计及制造

引用

吉林师范大学学报（自然科学版） 2023年第2期44卷 71-84页

作者：姜昊伯马常静付秀燕张誉尹姜文龙吉林师范大学物理学院吉林四平136000 吉林师范大学信息技术学院吉林四平136000

实现非对称超级电容器的平面化不仅能保留非对称超级电容器高能量密度和高功率密度的特点,还使其具有灵活的外形条件,可实现高性能、小型化和集成化,大大满足未来对便携式和可穿戴电子设备的发展需求.在实现非对称超级电容器平面化的过... 详细信息

实现非对称超级电容器的平面化不仅能保留非对称超级电容器高能量密度和高功率密度的特点,还使其具有灵活的外形条件,可实现高性能、小型化和集成化,大大满足未来对便携式和可穿戴电子设备的发展需求.在实现非对称超级电容器平面化的过程中,平面化的手段将决定着器件最终的适用范围.本文介绍了非对称超级电容器平面化制作过程,包括电极材料、平面化手段及电解液的研究现状;着重阐述了各平面化手段的操作方法和实际性能;重点分析了不同平面化手段的特点及操作时应注意的事项;讨论了各种技术目前面临的关键问题和未来发展趋势.通过总结当前国内外技术发展情况和实验结果,本文还对限制储能设备平面化进行了分析,以期通过开发新材料或新结构来克服上述问题.

关键词：非对称超级电容器平面化制造平面微型超级电容器储能器件

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