高性能微型超級(jí)電容器的制備、結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能機(jī)制.pdf

1、本論文以微型超級(jí)電容器作為研究的出發(fā)點(diǎn)，基于納米電極材料的合成，設(shè)計(jì)和構(gòu)筑一系列高性能微型儲(chǔ)能器件，并對(duì)器件的電化學(xué)儲(chǔ)能機(jī)制進(jìn)行深入探索。取得了一些有意義的研究成果，得到主要結(jié)論如下。
　　（1）為探究微型超級(jí)電容器中石墨烯及多孔石墨烯的電化學(xué)儲(chǔ)能增強(qiáng)機(jī)制，采用紫外光刻技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)以及電化學(xué)沉積技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)筑了基于純聚苯胺結(jié)構(gòu)、石墨烯-聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)及多孔石墨烯-聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微型超級(jí)電容器。電化學(xué)測(cè)試表明，隨著多孔石墨

2、烯中間層的引入，微型超級(jí)電容器的比容量為271.1 F cm-3，與純聚苯胺結(jié)構(gòu)和石墨烯-聚苯胺異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微型超級(jí)電容器相比有了顯著提高。石墨烯的引入可以加快聚苯胺層與集流體之間的電荷傳輸，而多孔石墨烯層間的離子傳輸有效性更進(jìn)一步增加了儲(chǔ)能器件中電解液離子在電極材料中的吸附量，更多電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器件比容量的提高。
　?。?）為解決微型超級(jí)電容器能量密度低、應(yīng)用靈活性差等瓶頸問題，率先提出以三維螺旋結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的微型超級(jí)

3、電容器概念，采用電子束刻蝕、物理氣相沉積、濺射沉積和電化學(xué)沉積等技術(shù)，以Co(OH)2或MnO2為活性材料，引入導(dǎo)電金屬包覆的微米柱陣列，制備了對(duì)稱式三維螺旋結(jié)構(gòu)的贗電容微型超級(jí)電容器。電化學(xué)性能測(cè)試表明，三維螺旋結(jié)構(gòu)微型超級(jí)電容器具有較高的比容量、能量密度及功率密度，同時(shí)顯示出較好的循環(huán)穩(wěn)定性。對(duì)于多電極結(jié)構(gòu)，通過簡(jiǎn)單改變集流體之間的連接方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能量密度和功率密度的調(diào)節(jié)。在工程學(xué)角度看，螺旋狀設(shè)計(jì)能夠使器件實(shí)現(xiàn)微米尺度上任意幾

4、何圖形的集成，顯示出了更好的靈活應(yīng)用型。
　?。?）為同時(shí)實(shí)現(xiàn)微型超級(jí)電容器高柔性度和透明度等目標(biāo)，采用靜電紡絲技術(shù)和原子層沉積技術(shù)，在微電子加工工藝的輔助下，制備了具有三維結(jié)構(gòu)的柔性半透明新型微型超級(jí)電容器，并實(shí)現(xiàn)了微型儲(chǔ)能器件的批量化構(gòu)筑。與沒有釩氧化物包覆的器件相比，三維納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)微型超級(jí)電容器具有更高的比容量，該器件在100 mV s-1的掃描速率下比容量達(dá)到19.3 F cm-3，并且在不同彎曲狀態(tài)下也表現(xiàn)出穩(wěn)定的充

5、放電特性。
　?。?）為克服微型超級(jí)電容器中微電極匹配性差等問題，利用紫外光刻蝕技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)及電化學(xué)沉積技術(shù)在含有氧化層的硅片上制備了 NiO對(duì)稱式微型超級(jí)電容器、MnO2對(duì)稱式微型超級(jí)電容器及NiO//MnO2非對(duì)稱式微型超級(jí)電容器。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，NiO//MnO2非對(duì)稱式微型儲(chǔ)能器件的比容量為37.7 F cm-3，與NiO對(duì)稱式儲(chǔ)能器件和MnO2對(duì)稱式儲(chǔ)能器件相比有了顯著提高，并且展現(xiàn)出較好的充放電循環(huán)性