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天津工業大學化學工程與技術學院、天津工業大學滄州研究院Tiantian Liu等--由激光誘導石墨烯電極和具有優異界面潤濕性的水凝膠電解質組裝的高性能高電容微型超級電容器
       在這項工作中,展示了一種簡單,合理和新穎的策略,通過激光誘導石墨烯(LIG)微電極和海藻酸鈉/聚丙烯酰胺水凝膠電解質浸泡在硫酸溶液(SA/PAAM-H2SO4)中來組裝微型超級電容器(MSCs)。微電極采用具有多孔結構的導電石墨烯材料,利用激光直寫技術對絕緣聚酰亞胺(PI)片進行碳化處理。闡述了電解質良好潤濕電極材料對裝置性能的重要性。電極與電解液具有良好的相容性和界面接觸。具有高離子電導率(574.7 mS cm-1)的SA/PAAM-H2SO4水凝膠電解質也表現出良好的保水性,即使在空氣中暴露60 h后也能保持正常。SA/PAAM-H2SO4水凝膠制備的LIG-MSCs與PVA/H2SO4水凝膠的電容相當。LIG-MSCs具有7.12 mF cm-2的高面電容和良好的循環穩定性。此外,LIG-MSCs具有優異的機械柔韌性和穩定性能,即使在高度彎曲狀態和連續錘擊過程中,電容也幾乎不受影響。LIG-MSCs可以任意串聯和并聯,而不需要金屬基互連來實現高壓和高電容輸出。本研究的設計策略旨在為柔性LIG-MSCs的開發提供新的見解。
 
 
圖1. LIG-MSC 的設計及 LIG 膜的表征。a) 以激光誘導石墨烯 (LIG) 為電極、以 SA/PAAM 基水凝膠為電解質的 LIG-MSC 制造工藝示意圖。b) LIG 微電極的 SEM 頂視圖。c) 多孔層壓結構的放大 SEM 圖像。d) LIG 膜的橫截面 SEM 圖像,厚度約為 50 μm。e) C 的 EDS 映射。f) LIG 膜的拉曼光譜。
 
 
圖2. a, b) SA/PAAM 水凝膠的 SEM 圖像。SA/PAAM 水凝膠在不同變形、c) 拉伸、d) 壓縮和恢復下的光學圖像。SA/PAAM 水凝膠在 e) 拉伸和 f) 壓縮下的應力-應變曲線。
 

圖3. LIG 膜與水的表面接觸角測量。(LIG 膜上的一滴液體呈現三邊界相)。
 

圖4. LIG薄膜對不同溶液的潤濕性。(重復實驗五次)a)兩種相同濃度的溶液對LIG薄膜的潤濕程度:i)1 M KCl溶液,ii)1 M Na2SO4溶液。b)不同濃度的H2SO4溶液對LIG薄膜的潤濕程度。i)1 M H2SO4,ii)2 M H2SO4,iii)3 M H2SO4和iii)5 M H2SO4。
 

圖5. LIG-MSCs 在 SA/PAAM-H2SO4 水凝膠電解質中的電化學性能。
a、b) 掃描速率為 5–500 mV s-1 時 LIG-MSCs 的 CVs。(c) LEG-MSC 在 0.08–0.5 mA cm-2 時的充放電曲線。d) LIG-MSC 10000 次循環前后奈奎斯特圖比較。e) LIG-MSCs 的面積電容與掃描速率的關系。f) 在電流密度為 0.2 mA cm-2時測試的 LIG-MSCs 的循環性能。插圖是循環過程中的 GCD 曲線。
 

圖6. 10000 次循環后 SA/PAAM–H2SO4–LIG-MSC 薄膜的表征。a) XPS 測量光譜,b) C1s XPS 光譜和 c) O1s XPS 光譜。
 

圖7. a) LIG-MSC 在 0° 至 180° 彎曲角度下的照片。b) 由三個串聯 LIG-MSCs 供電的紅色 LED燈。c) 50 mV s-1 下裝置以不同角度彎曲的 CV 曲線。d) 0.2 mA cm-2 下裝置以不同角度彎曲的 GCD 曲線。e) 20 mV s-1 下從 0 到 180° 進行 5000 次彎曲循環測試 LIG-MSCs 的電容保持率;插圖顯示了初始狀態和彎曲 5000 次后的 CV 曲線。f) 掃描速率為 100 mV s-1 時單個設備和三個串聯設備的 CV 曲線。g) 電流密度為 0.2 mA cm-2 時單個設備和 h) 三個并聯和串聯設備的 GCD 曲線。
 
 
圖8. 本研究的 LIG-MSCs 的 Ragone 圖,與其他報道的微型超級電容器的值進行了比較。
 
      相關研究成果由天津工業大學分離膜與膜過程國家重點實驗室、化學工程與技術學院、天津工業大學滄州研究院Tiantian Liu等人于2024年發表在Journal of Power Sources (https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234307 )上。原文:High-performance micro supercapacitor assembled by laser-induced graphene electrode and hydrogel electrolyte with excellent interfacial wettability for high capacitance

轉自《石墨烯研究》公眾號
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