喷墨打印构筑导电基底支撑Ni-Co LDH用于超级电容器的性能研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:n0131
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超级电容器因其具有功率密度高、稳定性好、循环寿命长、能耗低和环境友好等特点为未来的电子系统带来了巨大的希望。目前,这些电子系统正面临着从刚性设备到灵活、便携和可伸缩电子设备的重大转变。印刷技术(喷墨打印、丝网印刷和3D打印)为超级电容器提供了一系列简单、低成本、省时、多功能和环保的制造优势,使超级电容器设备具有新型和理想的结构(微型、非对称、柔性等)。喷墨打印作为一种非接触、高精度、按需喷墨的新型加工手段,为柔性储能器件的大规模工业化加工提供了一种可能,而随着人们对储能电子产品的多功能需求不断增加,导电墨水作为喷墨打印技术的关键因素之一,由于高导电性、高光学透明性和热稳定性等优点也得到了迅速发展。本文利用喷墨打印对基底无选择性,也无需模板,同时可以高效的在任意基材上进行图案化设计等优势,将其与电化学沉积方法进行有效结合从而在基底表面上实现基底与导电层和导电层与活性材料的良好结合,进而提高电子存储系统的性能。本论文的研究方向旨在配制出均一稳定并且物理性质满足纳米沉积系统要求的导电墨水,进一步通过喷墨打印技术将其打印到不同的集流体上作为一种新的导电基底来支撑具有较高理论比容量的镍钴双金属氢氧化物,最后将其作为正极电极材料与碳材料合理组装成非对称超级电容器,并对其电化学性能进行系统的评估,具体研究内容如下:采用优化的Hummers方法制备氧化石墨,并通过简单的室温还原过程得到还原氧化石墨烯,而后结合喷墨打印技术和电化学沉积技术在刚性基底泡沫镍上构筑导电石墨烯薄膜和镍钴双金属氢氧化物。通过结合喷墨打印的优点及层层构筑的思路,进一步制备了层层堆叠的双层镍钴水滑石/还原氧化石墨烯(Ni-Co LDH/rGO)复合物。双层的Ni-Co LDH/rGO相较于一层Ni-Co LDH/rGO电极材料具有更高的电化学活性,其在1.2A/g的电流密度下实现了227 mAh/g的比容量,组装后的非对称超级电容器设备能量密度达到84.9 Wh/kg,功率密度度达到424 W/kg。鉴于喷墨打印对基底无选择性的特点,将刚性基底换成柔性碳布作为集流体进一步构筑镍钴水滑石/银/还原氧化石墨烯(Ni-Co LDH/Ag/rGO)电极材料。首先采用水热法制备银纳米颗粒并配制银墨水,通过喷墨打印的方法在碳布基底上层层构筑氧化石墨烯和导电银层,并且经过高温煅烧过程使氧化石墨烯还原的同时增加粘合力,最后将具有优异理论比容量的Ni-Co LDH沉积到负载Ag和rGO的碳布上。经过三电极体系的电化学测试,可知材料在1 A/g电流密度下实现了173 mAh/g的比容量,组装非对称超级电容器的能量密度达到76 Wh/kg,功率密度达到480 W/kg。采用全喷墨打印的方法在A4纸上喷涂还原氧化石墨烯和多壁碳纳米管的混合墨水,进一步喷涂导电银纳米粒子。由于纸基基底的限制,首先通过水热法制备Ni-Co LDH,然后将其分散到还原氧化石墨烯墨水中形成均一稳定的墨水,再通过喷墨打印的方式制备全打印的镍钴水滑石-还原氧化石墨烯/银/多壁碳纳米管-还原氧化石墨烯(Ni-Co LDH-rGO/Ag/CNTs-rGO)电极材料。在层层打印的过程中,层与层之间通过rGO间的π-π堆叠作用紧密连接,有效增加了整体材料的导电性和稳定性。经过三电极体系的电化学测试,材料在电流密度为1 A/g时比容量达到142 mAh/g,当电流密度达到50 A/g时比容量仍然达到106.9 mAh/g。同时首次在石墨纸上喷涂多壁碳纳米管和还原氧化石墨烯混合墨水(CNTs-rGO)作为负极材料组装非对称超级电容器,能量密度达到49.8Wh/kg,功率密度达到800 W/kg。
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