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MXene基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究共3篇
MXene基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究共3篇MXene基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究1随着人们对于无线电子产品的需求越来越高，电容器这种能够存储电荷的器件就显得格外重要。
近些年来，MXene基超级电容器电极材料在电容器领域中备受瞩目，因其高电导率和大的比表面积而被认为是一种有前途的电极材料。
MXene是一类具有极高导电性和良好的机械韧性的二维材料，在MXene中的极性化学官能团使其具有极高的表面积。
在此基础上，MXene基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究已经成为研究人员们的热点之一。
MXene基超级电容器电极材料的制备主要采用水解或氧化剂的化学反应，将MXene制成大小不同而多孔的结构；或通过物理蚀刻的方式，用激光或电子束在MXene表面定位刻蚀出微小孔洞。
在制备过程中，要控制好反应条件，如PH值和反应温度等参数，以使得制得的MXene基超级电容器电极材料具有更好的电化学性能。
关于MXene基超级电容器电极材料的电化学性能研究，主要首先关注其比电容和能量密度等性能指标，以探究其在电容器领域中的优势。
实验发现，MXene具有很高的比电容和能量密度，这使得其在超级电容器领域具备很好的潜力。
同时，在稳定性和循环寿命等方面也表现出了较好的性能，具有很强实用价值。
总的来说，MXene基超级电容器电极材料的制备和电化学性能研究已经得到了很大的发展和突破。
但是要想将其真正应用于商业化生产中，还需进行更深入的探究和完善。
未来，通过不断进行研究和改进，MXene基超级电容器电极材料的应用必将进一步拓展，为无线电子产品的发展提供更好的支持综上所述，MXene基超级电容器电极材料作为一种新型电化学能量储存材料，具有制备简单、比电容高、能量密度大、稳定性好、循环寿命长等优良性能。
其在无线电子产品等领域的应用前景广阔，但仍需继续深入研究和完善，以促进其商业化生产的进一步发展MXene基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究2MXene基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究电化学超级电容器是未来节能环保的关键技术之一，因为它们能够在几秒钟内存储和释放大量的电能。
石墨烯超级电容
石墨烯超级电容
石墨烯超级电容近年来备受关注，由于其卓越的特性，可以用于应用领域中最
极端的环境。
首先，石墨烯聚苯胺（PPI）超级电容拥有出色的电化学性能。
这种
电容器的容量比传统的电容器大出十倍以上，比如一立方毫米的石墨烯超级电容可以容纳20微库诺伏的能量，而传统的聚苯胺（PPI）电容器只能容纳2-4微库诺伏。
此外，石墨烯聚苯胺（PPI）超级电容拥有极佳的耐热性能，它们可以在高温环境
下工作，而传统的锂离子电池只能在低温环境下工作。
此外，它们可以支撑非常快速的充放电，充放电时间短达数微秒。
石墨烯超级电容还具有一定的环保特性，相关的技术模式与功率应用，不会造
成环境的污染。
石墨烯聚苯胺（PPI）超级电容器目前正在开发和实施包括电动车、混合动力车、无人驾驶汽车和轨道车辆在内的电动交通系统，以及比特币挖矿系统、计算机电源和便携式灯具等应用。
总而言之，石墨烯超级电容具有诸多独特的优势。
它们具有传统电容器无法比
拟的更高的容量、更优越的耐热性能，以及可以支撑非常快速的充放电，且可以应用于多个领域，具有环保特性，是显著推动新能源发展的一大催化剂。
《2024年石墨烯的制备及在超级电容器中的应用》范文
《石墨烯的制备及在超级电容器中的应用》篇一一、引言随着科技的进步，纳米材料的应用已经引起了科学界的广泛关注。
在众多纳米材料中，石墨烯因其独特的物理、化学性质，特别是其超高的电导率和极大的比表面积，已成为近年来材料科学领域的研究热点。
本篇论文旨在深入探讨石墨烯的制备方法以及其在超级电容器中的应用。
二、石墨烯的制备石墨烯的制备方法多种多样，常见的包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等。
1. 机械剥离法：此方法主要是通过机械力将石墨薄片剥离成单层或多层石墨烯。
此法虽然可以制备出高质量的石墨烯，但生产效率较低，不适合大规模生产。
2. 化学气相沉积法：此法通过在高温条件下使气体中的碳原子在基底上沉积形成石墨烯。
此法可以制备大面积的石墨烯，但制备过程需要高温和特定的气体环境。
3. 氧化还原法：此法首先通过强酸等化学试剂将天然石墨氧化，形成氧化石墨（GO），然后通过还原GO得到石墨烯。
此法生产效率高，成本低，适合大规模生产。
三、石墨烯在超级电容器中的应用超级电容器是一种具有高能量密度和高功率密度的储能器件，而石墨烯因其独特的物理性质，使其成为超级电容器的理想材料。
1. 石墨烯的电化学性质：石墨烯具有超高的比表面积和良好的导电性，这使其在电化学反应中能够提供更多的活性位点，从而提高电容器的电容量。
2. 石墨烯在超级电容器中的应用：由于石墨烯的优异性能，其被广泛应用于超级电容器的电极材料。
在电极中，石墨烯不仅可以提供大量的电荷传输通道，还可以通过其大比表面积提供更多的电荷存储空间。
此外，石墨烯的优异导电性可以降低电极的内阻，从而提高电容器的充放电速率。
四、结论随着科技的发展，石墨烯的制备技术已经越来越成熟，其在超级电容器中的应用也越来越广泛。
未来，随着对石墨烯性能的深入研究以及制备技术的进一步优化，石墨烯在超级电容器以及其他领域的应用将更加广泛。
同时，我们也需要关注到石墨烯在实际应用中可能面临的问题和挑战，如成本、环境影响等，以期在未来的研究中找到更好的解决方案。
高性能石墨烯材料在超级电容器中的应用
高性能石墨烯材料在超级电容器中的应用随着科技的快速发展，人们对储能技术的需求也越来越高。
传统电池的能量密度相对较低，而超级电容器由于具有高能量密度、快速充放电和长寿命等特点，逐渐成为储能技术研究的焦点领域之一。
在超级电容器的研究中，石墨烯材料表现出了令人瞩目的应用潜力，具有了广泛的应用前景。
1. 背景介绍超级电容器是一种以电吸附和电双层电容为储能机制的设备。
它能以高速率吸附和释放电荷，储能效率高，循环寿命长，是现代电子器件和电力系统中理想的储能技术之一。
然而，传统超级电容器的能量密度相对较低，限制了其在实际应用中的推广。
2. 石墨烯材料在超级电容器中的优势石墨烯是一种由碳原子单层构成的二维材料，具有出色的电学、光学、导热和机械性能。
这些特性使得石墨烯成为超级电容器领域的研究热点。
使用石墨烯材料制备的超级电容器相比传统电容器具有以下优势：2.1 高能量密度石墨烯的大表面积和高电导率使得其能够存储更多的电荷。
其高比表面积可以提供更多的吸附位点，从而增加了电荷的储存量。
与此同时，石墨烯的高电导率也能够有效地减少电池内阻，提高能量转化效率。
2.2 快速充放电速度石墨烯的高电导率和低内阻使得超级电容器具有快速充放电的特点。
相比传统超级电容器，石墨烯材料能够更快地吸附和释放电荷，从而实现高速充电和高速放电。
2.3 长循环寿命传统超级电容器的循环寿命较短，会在充放电循环过程中出现性能衰减。
而石墨烯具有出色的力学稳定性和化学稳定性，能够有效地抵抗充放电过程中的机械和化学破坏，从而延长超级电容器的寿命。
3. 石墨烯材料在超级电容器中的应用案例随着对石墨烯材料性能了解的进一步加深，科学家们不断探索石墨烯在超级电容器中的应用。
以下是一些石墨烯材料在超级电容器领域的应用案例：3.1 改进电解液结构石墨烯材料能够通过调控电解液组分和结构，提高电解液的电导率和离子迁移速率。
通过在超级电容器的电解液中添加适量的石墨烯材料，可以有效地提高超级电容器的能量密度和充放电速度。
超级电容器文献综述
高比能量水基电解质炭基超级电容器的研究文献综述一、课题背景和意义超级电容器(Supercapacitor)，又称超大容量电容器(Ultracapacitor)或电化学电容器(Electrochemical capacitor)，是一种重要的电化学能量存储与转换装置[1-3]。
从双电层理论的提出到超级电容器的问世，经历了很长一段历史。
20世纪50年代末，Becke申请了双电层电容器的专利，超级电容器的研究才取得实质性进展[1]。
1971年，日本NEC公司成功制备了第一个商用超级电容器[4]。
在七八十年代，Conway和他的合作者利用赝电容电极材料RuO2制备了性能更加优异的超级电容器[5]。
美国政府在1989 年制定了超级电容器领域的短期和中长期研究计划项目，更是加速推动了超级电容器产业的发展。
2007年，《Discovery》将超级电容器列为2006年世界七大技术发现之一，认为其是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些重要领域替代传统能量存储装置。
至此，超级电容器已得到各界的广泛关注和认可，并成为全球新型储能器件的一个研究热点[3, 6-11]。
作为一种新型的储能器件，超级电容器具有众多优点，图1.1是其与电池和普通电容的对比情况。
对比结果显示与电池相比，超级电容器具有较低的能量密度，但是其功率密度较高；与普通电容相比，超级电容器具有较低的功率密度，但是其能量密度较高。
图1.1不同储能器件对比二、超级电容器的组成和工作原理2.1超级电容器的组成超级电容器是一种重要的电化学能量存储装置，其结构示意图如图2.1所示。
超级电容器的主要构件为对称的双电极、防止电极接触短路的隔膜、电解质和电极材料基底-集流体。
图2.1超级电容器的构成图示2.2工作原理基于超级电容器的不同构成材料及工作原理，可将其分为三类：(l)电化学双电层电容器(Electrochemical Double Layer capacitor，EDLC)；(2)法拉第赝电容器(Faradic Pseudocapacitor，FPC)；(3) 混合杂化型电容器(Hybrid Supercapacitor，HSC)。
石墨烯制成的超级电容器将取代电池
俄亥俄州代顿市Nanotek Instruments公司新研制的石墨烯超级电容器，单位质量可储存的能量相当于镍氢电池，打破了世界纪录，而且充电或放电只需要短短几分钟、甚至几秒钟，有望取代电池。
相关研究论文发表在Nano Letter上。
该超级电容器电极的制备采用了石墨烯，混合5%的超级P(一种乙炔黑，作用相当于导电添加剂)和10%的聚四氟乙烯(PTFE)结合剂。
研究人员把产生的悬浮液涂在集电器表面，把硬币大小的电容器安装在隔离箱里。
电解质-电极界面的制备，采用了“Celguard隔膜-3501”，而电解液是一种化学品，叫做EMIMBF4。
该公司对硬币大小超级电容器的测试表明，石墨烯电极的超级电容器的能量密度为85.6 Wh/kg，而镍氢电池和锂离子电池分别为40-100 Wh/kg和120 Wh/kg，这是有史以来基于碳纳米材料的双电层超级电容器所达到的最高值。
研究小组成员还包括来自Angstron材料研究所的科学家，他们正在努力工作以进一步提高超级电容器的能量密度。
电容器电极材料研制方面取得系列进展。
超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种新型储能器件，具有绿色环保、充电时间短、使用寿命长和工作温度范围宽等优点，其核心部件是性能优异的电极材料。
石墨烯片（GS），作为一种新型的碳材料，具有良好的导电性和大的比表面积，预计将其作为超级电容器的电极材料具有广阔的应用前景。
但是纯石墨烯表面缺少功能基团导致其很难与其它材料复合或在器件上进行组装，从而限制了其深入应用。
因此，对石墨烯表面进行化学修饰以便于获得各种功能复合材料是当前研究的一个热点。
图1：不同PANi含量的PSS-GS/PANi“纸”电极（左）和PSS-GS与PANi纳米纤维之间的静电吸附示意图（右）图2 ：PSS-GS与二氧化锰在基底上的层层自组装示意图固体润滑国家重点实验室研究人员利用化学修饰后的石墨烯（PSS-GS）与聚苯胺（PANi）纳米纤维之间的静电吸附作用，制备了PSS-GS/PANi 复合材料胶体溶液，然后抽虑成膜得到了柔性的PSS-GS/PANi复合“纸”电极材料。
基于石墨烯基复合材料的超级电容器研究现状
基于石墨烯基复合材料的超级电容器研究现状超级电容器是一种发展成本低、环境友好、能量密度高的新型绿色能源装置，具有充电时间短、放电速度快、使用寿命长、节约能源和绿色环保等优点，得到了科学界的一致追捧，而影响超级电容器最关键的因素就是电极材料的性能。
过渡金属氧化物如Mn02，ZnO，C0304和NiO等虽是较好的电极材料，但导电性能较差，会产生较大的内阻，使得在充放电过程中，容易导致电极材料结构的破坏而影响其充放电容量和循环性能。
将过渡金属负载到碳材料例如石墨烯上可以较好的解决这一难题，这方面研究国内外已有很多相关报道。
作为碳材料中重要的一员，石墨烯由于导电性能强、导热性好、质量轻、比表面积大而备受关注，在储能装置、电化学器件、功能性复合材料等方面都具有重要的应用。
将石墨烯应用到超级电容器上，改善了超级电容器的电容量和循环稳定性。
但石墨烯层与层之间的分子问作用力导致石墨烯容易团聚，从而降低了石墨烯的比表面积和比容量。
将过渡金属氧化物和石墨烯组装成复合材料，既能提高电极材料的导电性和充放电容量，又能增强其循环稳定性。
1过渡金属氧化物与石墨烯复合材料在超级电容器中的应用1．1二氧化锰／石墨烯在超级电容器的研究中，锰作为过渡元素较先受到关注。
虽然它资源比较丰富，且易获取，但电化学性能较弱，尤其是导电性能差阻碍了人们进一步研究的步伐。
通过与石墨烯的复合，能在一定程度上改善二氧化锰存在的问题，大幅度提高其比电容和循环性能。
Li等制备的石墨烯／Mn02复合纸电极具有无黏结剂、柔韧性好的特性，并发现其具有良好的循环稳定性，且在浓度为0．1 mol／L 的Na2SO4水溶液中，当电极的Mn02含量为24％，电流密度为O．5 A ／g时，该复合纸电极的比容量为256 F/g。
Wei等通过高锰酸钾还原成二氧化锰沉积在石墨烯表面制备出了二氧化锰／石墨烯复合材料，该复合材料在超级电容器性能测试中显示了较好的循环寿命，其电容为114 F／g。
石墨烯基超级电容器研究
［ ３ １ Ｙ ．Ｈ ｅ ｍａ ｎ ｄ ｅ ｚ ，Ｖ ．Ｎ ｉ ｃ ｏ ｌ ｏ ｓ ｉ ，Ｍ．Ｌ ｏ ｔ ｙ ａ ，Ｈ ｉ ｇ ｈ － ｙ ｉ ｅ ｌ ｄ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｅ ｎ ｅ ｂ ｙ ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ — ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｅ ｘ ｆ ｏ ｌ ｉ ￣ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｔ ｅ ［ Ｊ ］ ．Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｎ ａ ｎ —
一Байду номын сангаас
，
料具 有 更 高 的 电容量 ， 其 中碳 纳米 管 与 石 墨烯 的复 合材 料 电容 量 高 达７ ３ ０ ｍ Ａ ｈ ／ ｇ ， Ｃ 与石 墨烯的复合材料 的电容量 高达 ７ ８ ４ ｍ Ａ ｈ ／ ｇ ， 并 且研究发现石 墨烯层数越少 ， 层 间距越大 ， 越容易掺杂提高 电池性 能 。因此 ， 石 墨烯 材 料 在 电池 电极 材 料 应 用 方面 显 示 出 了诱 人 的前 景， 但 目前 的石墨烯层数不 可控 ， 制备出尺寸可控 的石墨烯材料并 对其有效掺杂 ， 有望开发出性能优异的超级 电容器 。 ３结束语 在超 级 电容 器研 究 中 ， 过 渡 金属 氧 化 物 电极 的 比容 量 可达 到 碳 电极材料 的 １ ０ — １ ０ ０倍 ， 金属氧化物 电极材料在制备上采取掺杂 、 纳 米化等特殊处理 ， 可 以有 比碳电极 电容器更好的性 能 ， 有 良好 的发 展 前 景 。采 用石 墨 烯 大 的 比表 面积 和 高 的 电导 率 ， 经 金 属 氧化 物 掺 杂处理有望得到高能量密度 、 高效率 、 使 用寿命长和低成本 的石墨 烯 基 超级 电容 器 ， 为微 纳 电子 工 业 发展 及 汽 车 等机 动 设 备 和 器件 的 发展提供重要的能源动力基础 。
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对柔性材料性能的探究实验
现象：在不同压力>=100次测
试下LSG-EcsV-A图： 由图可以看出无论弯曲程度如 何其电容该变量只有5%
LSG-Ecs电容器性能检验：
在1000mv/s的扫描下 的矩形状图如右： 说明了即使没有玻璃 液流收集器、粘合剂、 活性添加剂 其仍具有完美的电容 反应
该图在(100-1000mv/s) 扫描频率和10A/g的电 流密度下取得 可观察到其保持几乎 完美的三角形充放电 曲线 象征了一个有效率和 高速离子传输性能的 LSG电极的形成。
多种电极材料的频率-相位角图像 对LSG-EC当频率为10Hz时，相位 角为约-90 º ，表明了该装置是一个 完美的电容器。 另外频率为30Hz时相位角为45 º ， 这个特征频率是电阻和电容阻抗等 效的点
LSG-ECs的应用研究：
柔性材料
未来多功能电子设备对轻量柔性能源储存装置要求很高 传统的电池有着易泄露有害物质和难以用作柔性电子使 用 所以我们用聚乙烯-磷酸多聚物胶质电解液
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
原因： 由于LSG电极和电解液的 相互渗透的网状结构极大 的加强了其机械完整性和 增长了其生命周期 卓越的性能拥有巨大的商 业前景！
LSG-EC电极串并联的研究
4个LSG-EC电极串联测试如下图
2个串联2个并联测试结果图
由图看出其出现了4V的放电电压
如图电压增加了2倍并且表现出完美的三角形充放电曲线和非 常小的电压下降 表示完美的电容特性和极小的内电阻 因此其也有极少的能量损失
有机电解质的比较试验
用有商业上常用的有机物作 为电解液可允许在很高的电 压下进行操作，因此实现更 高的能量密度。
由以上图形可以再次证明 LSG-EC增强的性能和反应速率 在有机和胶质电解液中数据都 是一致证明其高性能的稳定性
温室离子液体制作的LSG-EC研究
温室离子液体的高密度 （高热功率，不挥发性） 较宽的电势窗
谢谢观看！
我们用1-乙基-3咪唑四 氯硼酸盐(EMIMVlF4)离 子液体来制备LSG-EC显 示了高达5.02mF/cm的 电容和4V的电势窗
用3.5V恒电压充电可以 点亮LED灯24min。
LSG-EC与各种商业电容器的综合对比
测试结果如图： LSG-EC可以达到 1.36mWh/cm是AC-EC的2倍 LSG-EC可以传递20W/cm功 率密度是AC-EC的20倍，高 于500-uAh薄膜锂电池3个 数量级 由于其结构简单，制取便易， 已经以吨级生产了 LSG-EC必将有极大的发展潜 力！
Laser Scribing of High-Performance and Flexible Graphene-Based Electrochemical Capacitors
ABSTRACT
1 2 3
• 突破电化学电容器低能量密度和低生产速率的限制
• 使用标准光雕刻录DVD光驱对石墨烯氧化物激光直接还原 • 所得电极存在超高能量密度值和循环稳定性 • 并在制造大功率柔性电子产品方向很有前景
EC的现状与问题
1 2
• EC在双电层中储存的能量仅4~5Wh/kg 低于Li • 因离子流动快可提供高能量密度养护简单故受到优待
• 石墨基材料电极的高表面积可实现550F/g的高电容
3
• 石墨烯基的低成本允许其大规模的制造 • 但是由于重新堆叠的石墨烯薄片之间范德华力使其表 面积减少导致功率能量密度等性能低于理论值
解决办法
我们用全固态的操作方法以避免其重新堆叠如上图: 其间我们用光雕刻录DVD光驱红外激光照射薄膜使 其转化为可脱落的LSG(激光划线石墨薄片) 用其做电极组成LSG-Ecs具有超高性能
LSG-Ecs电容器的高性能：
高比表面积(1520m ² /g相较于1000~2000m ² /g的活性炭材料)，使充电储存量高平面体积 堆叠容量 使氧化石墨脱落和形成一个开放的网络结构避 免了石墨烯成块 同时网络结构中开放的毛孔增大可接触比表面 积有利于电子扩散使之有着优秀的电导率 LSG材料展现了很强的机械灵活性，不需要粘 合剂和到导电添加剂即可以作为电极使用
我们通过大范围流量 密度充放电所得各类 电极CC曲线如左上图： 随着电流密度的增加 LSG-Ecs远大于AC-ECs 保持着高电容量 说明了其性能的优异 性 在充放电1000周期循 环之后LSG-Ecs保持了 96.5%的初电容。
阻抗平面图和插入的扩展视 图如下：
显示了甚至在高频率下 (158Hz)仍可看出其为一个纯 电容反应 证实了例子在LSG电极的快 速电子传输能力