化學(xué)電容器具有可快速充電、功率高、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，可用作大功率電源，在混合電動(dòng)汽車、備用電源、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域都具有廣闊的發(fā)展前景。然而電化學(xué)電容器相比于電池其能量密度較低，即單位體積內(nèi)儲(chǔ)存的能量低，限制了其更廣泛的應(yīng)用范圍，尤其是在便攜式智能設(shè)備中的應(yīng)用， 需要進(jìn)一步提高體積能量密度。近日，中國科學(xué)院金屬研究所與英國倫敦大學(xué)學(xué)院合作，在《自然-能源》(Nature Energy) 在線發(fā)表題為《可調(diào)層間距、高效孔利用石墨烯薄膜的電化學(xué)電容儲(chǔ)能研究》（Tuning the interlayer spacing of graphene laminate films for efficient pore-utilization towards compact capacitive energy storage）的研究論文。
研究人員制備了不同比例的氧化石墨烯和熱膨脹還原石墨烯的混合溶液，經(jīng)過真空抽濾，得到片層間距可調(diào)節(jié)的復(fù)合石墨烯基薄膜。通過調(diào)控片層間距，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化整個(gè)電極材料孔隙率的效果。當(dāng)電極材料的孔隙尺寸與電解液的離子尺寸相匹配時(shí)，孔隙的空間利用達(dá)到了最優(yōu)化，從而極大化了體積能量密度。在此基礎(chǔ)上，科研人員設(shè)計(jì)了全固態(tài)柔性電化學(xué)電容器，石墨烯薄膜電極材料本身良好的彎折性能，保證了整個(gè)器件的柔性，并進(jìn)一步發(fā)展了智能器件，通過根據(jù)實(shí)際需求改變電路連接方式，實(shí)現(xiàn)了不同的輸出效果。
該合作研究的實(shí)驗(yàn)工作由英國倫敦大學(xué)學(xué)院博士李莊男在中科院金屬所合作研究完成，所有作者共同參與了數(shù)據(jù)分析、討論及論文撰寫工作。李莊男為第一作者，李峰、Ivan Parkin、郭正曉為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院等資助。
圖1. 片層間距可調(diào)節(jié)的復(fù)合石墨烯薄膜的制備過程
圖2. 片層間距可調(diào)節(jié)的復(fù)合石墨烯薄膜的結(jié)構(gòu)表征
圖3. 片層間距可調(diào)節(jié)的復(fù)合石墨烯薄膜的電化學(xué)表征
圖4. 電化學(xué)電容器性能
圖5. 制作全固態(tài)電化學(xué)電容器及其智能設(shè)計(jì)
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