發(fā)布時間：2017-08-01 23:23

  本文關(guān)鍵詞：印制式石墨烯電極及其在微型超級電容器中的應(yīng)用研究

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【摘要】：隨著現(xiàn)代電子技術(shù)不斷的發(fā)展,大量工作集中于可穿戴、便攜式設(shè)備的研究。由于微型超級電容器具有充放電速率快、循環(huán)壽命長、功率密度高等優(yōu)點,柔性、微型超級電容器受到人們越來越多的關(guān)注。目前,研究工作主要通過合成功能化的電極材料,設(shè)計新穎的電極結(jié)構(gòu),開發(fā)簡單的制備工藝等方法,不斷推動微型超級電容器的進(jìn)步。但在大量的電極材料、電極結(jié)構(gòu)、制備工藝中,選擇一條科學(xué)的、協(xié)同的、高效的研究路徑來制備高性能的微型超級電容器成為一項新的挑戰(zhàn)。本文利用叉指結(jié)構(gòu)電極,結(jié)合具有優(yōu)異電導(dǎo)性能和較高比表面積的石墨烯電極材料,致力于印制式石墨烯電極及其在微型超級電容器中的應(yīng)用研究。首先,在電極材料的合成過程中,利用氫氧化鎂(Mg(OH)2)模板輔助法,在石墨烯納米片表面上制造大量的褶皺,進(jìn)一步在石墨烯層間構(gòu)筑孔狀結(jié)構(gòu)。一方面,這樣的結(jié)構(gòu)有效的阻止石墨烯團(tuán)聚,增加電解質(zhì)離子的運輸渠道,有利于電解質(zhì)離子充分接觸石墨烯,從而增加雙電層電容;另一方面,更多的含氧官能團(tuán)暴露在電解質(zhì)溶液中,從而增加法拉第贗電容。在凹版印刷過程中,利用石墨烯油墨,印刷叉指電極圖案。通過對油墨穩(wěn)定性、印刷速度、印刷次數(shù)的研究,使柔性襯底負(fù)載更多的電極材料,從而提高微型超級電容器的電化學(xué)性能。其次,利用表面褶皺石墨烯油墨,結(jié)合凹版印刷工藝,制備柔性、叉指結(jié)構(gòu)微型超級電容器。經(jīng)過電化學(xué)測量,單個器件獲得最大能量密度1.41 mWh cm-3(能量密度為25 mW cm-3),最大功率密度300 mW cm-3(能量密度為0.35 mWh cm-3),以及穩(wěn)定的循環(huán)壽命和優(yōu)異的彎曲性能。此外,利用微型超級電容器組,連接成兩組串連、兩組并連的電路,分別驅(qū)動單個紅色發(fā)光二極管(LED)、液晶顯示器(LCD),持續(xù)工作10秒、35秒。在本課題中,我們利用模板輔助法合成的表面褶皺石墨烯油墨,結(jié)合低成本、易操作的凹版印刷技術(shù),制備出了可演示的柔性、微型超級電容器。本工作具有以下三方面特色:(1)由于Mg(OH)2模板的輔助作用,有效的阻止了石墨烯團(tuán)聚,增加電解質(zhì)離子運輸渠道和含氧官能團(tuán)數(shù)量,從而提高微型超級電容器的電容;(2)利用可兼容柔性襯底的凹版印刷工藝,使得微型超級電容器的制備工藝簡單、無污染;(3)利用高性能的柔性、叉指結(jié)構(gòu)微型超級電容器組,結(jié)合耗能器件,可以進(jìn)行應(yīng)用演示。綜上所述,這條科學(xué)的探索路徑為全印制式石墨烯基的柔性、微型超級電容器的潛在應(yīng)用提供有價值的實驗探索。
【關(guān)鍵詞】：微型超級電容器 表面褶皺石墨烯油墨 凹版印刷 柔性
【學(xué)位授予單位】：上海師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O646;TM53
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-18
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 微型超級電容器10-13
• 1.2.1 原理與結(jié)構(gòu)11-12
• 1.2.2 微型超級電容器的特點12-13
• 1.3 納米碳基微型超級電容器電極材料13-15
• 1.3.1 活性炭13-14
• 1.3.2 碳納米管14
• 1.3.3 石墨烯14-15
• 1.4 印刷技術(shù)15-17
• 1.4.1 噴墨印刷15-16
• 1.4.2 絲網(wǎng)印刷16
• 1.4.3 凹版印刷16-17
• 1.5 研究內(nèi)容與意義17-18
• 第二章 實驗部分18-24
• 2.1 實驗材料18-19
• 2.2 實驗設(shè)備19-20
• 2.3 表征方法20-22
• 2.3.1 光學(xué)顯微鏡20
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡20
• 2.3.3 X射線衍射分析20-21
• 2.3.4 X射線電子能譜分析21
• 2.3.5 透射電子顯微鏡21
• 2.3.6 厚度表征21-22
• 2.4 電化學(xué)性能測試22-24
• 2.4.1 循環(huán)伏安測試22
• 2.4.2 恒電勢充放電測試22
• 2.4.3 交流阻抗測試22-24
• 第三章 微型超級電容器制備及其凹版印刷工藝24-36
• 3.1 石墨烯基微型超級電容器的制備25-30
• 3.1.1 GO與Mg(OH)2插層26-27
• 3.1.2 低溫?zé)徇�原氧化石墨烯27-28
• 3.1.3 還原氧化石墨烯表征28-29
• 3.1.4 制備表面褶皺石墨烯油墨29
• 3.1.5 制備微型超級電容器及合成電解質(zhì)溶液29-30
• 3.2 凹版印刷工藝30-36
• 3.2.1 印刷工藝對電極材料的影響31-32
• 3.2.2 印刷技術(shù)32-36
• 第四章 印制式微型超級電容器的性能及其應(yīng)用36-45
• 4.1 單個器件的性能36-41
• 4.1.1 電化學(xué)性能測試37-40
• 4.1.2 循環(huán)性能和彎曲性能測試40-41
• 4.2 微型超級電容器的應(yīng)用研究41-45
• 4.2.1 微型超級電容器組的電化學(xué)性能測量42-43
• 4.2.2 微型超級電容器的應(yīng)用43-45
• 第五章 總結(jié)與展望45-47
• 參考文獻(xiàn)47-51
• 攻讀學(xué)位期間取得的研究成果51-52
• 致謝52

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