為了提高全固態(tài)超級(jí)電容器的能量和功率密度，人們越來越關(guān)注具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分的電極和電解質(zhì)材料的開發(fā)。然而，目前的研究很少報(bào)道活性物質(zhì)含量高（即>20.0wt%）的水凝膠電極及其對超級(jí)電容器性能的影響。在這里，我們開發(fā)并制備了一種雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠電極，通過刮涂和3D打印技術(shù)應(yīng)用于全固態(tài)超級(jí)電容器。此外，水凝膠電極具有異常高的活性物含量（25.0wt%），導(dǎo)致高面比電容（871.4mF/cm
2）和面積能量密度（0.14mWh/cm
2 at 0.27mW/cm
2）。本研究為大規(guī)模開發(fā)高性能全固態(tài)超級(jí)電容器開辟了新的途徑。
流程圖一。所有全固態(tài)超級(jí)電容器的制備示意圖。
圖1. (A) (a-b)液晶結(jié)構(gòu)示意圖,(c)基于液晶結(jié)構(gòu)的凝膠光學(xué)照片, (d)基于液晶結(jié)構(gòu)的凝膠偏振光顯微鏡圖。(B)含有PANI和石墨烯的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠示意圖。(C) (a) PVA和活性材料混合物的光學(xué)照片, (b) PVA、活性材料和液晶相混合物的光學(xué)照片, (c)經(jīng)硼酸浸泡和固化后的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的光學(xué)照片。
圖2. (A)PANI和(B)石墨烯的SEM圖像。雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的(C-D)表面和(E-F)截面SEM圖像。
圖3. (A)具有不同活性物質(zhì)含量的基于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠超級(jí)電容器的CV曲線, 速率為10.0mV/s，(a)0，(b)5.0wt%，(c)10.0wt%，(d)15.0wt%，(e)20.0wt%，(f)25.0wt%。(B)活性物質(zhì)含量為25.0wt%，基于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠超級(jí)電容器的CV曲線與掃描速率的關(guān)系，(a) 20mV/s, (b) 40mV/s, (c) 60mV/s, (d) 80mV/s 和 (e) 100mV/s。
圖4. (A)GCD曲線和(B)含有不同活性物質(zhì)含量，基于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠超級(jí)電容器的面積比電容，(a) 0, (b)5.0wt%, (c)10.0wt%, (d)15.0wt%, (e)20.0wt% 和(f)25.0wt%。(C)活性物質(zhì)含量為25.0wt%的基于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠超級(jí)電容器隨電流密度變化的GCD曲線：(a) 2.5mA/cm
2, (b) 2.0mA/cm
2, (c)1.5mA/cm
2, (d)1.0mA/cm
2 和 (e) 0.5mA/cm
2。(D)活性物質(zhì)含量為25.0wt%的基于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠超級(jí)電容器的面積比電容隨電流密度的變化(從0.5到2.5 mA/cm
2)。
圖5. (A)活性物質(zhì)含量為25.0wt%的基于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠超級(jí)電容器的容量保持率與充放電循環(huán)的關(guān)系。(B)在不同電流密度下，目前和以往工作中報(bào)道的超級(jí)電容器的面能量密度與面功率密度之間的關(guān)系。(C)掃描速率為5.0 mV/s時(shí)的CV曲線；(D)電流密度為3.5 mA/cm~2的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠超級(jí)電容器的GCD曲線，該曲線隨彎曲角度的變化而變化；(3)掃描速率為5.0 mV/s時(shí)的CV曲線；(D)活性物質(zhì)為25wt%的基于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠與彎曲角的函數(shù)關(guān)系在電流密度為3.5 mA/cm
2時(shí)的GCD曲線。
圖6. 具有不同含量活性物質(zhì)的基于雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的超級(jí)電容器的EIS光譜, (A)0, (B)5.0wt%, (C)10.0wt%, (D)15.0wt%, (E)20.0wt%, 和(F) 25.0wt%。
圖7. (A)凝膠前體的表觀粘度是剪切速率的函數(shù),(B)凝膠前體的儲(chǔ)能模量和損耗模量是剪切應(yīng)力的函數(shù)。
圖8. (A) 3D打印超級(jí)電容器在不同掃描速率下的CV曲線: (a) 10.0mV/s, (b) 20.0mV/s, (c) 40.0mV/s, (d) 60.0mV/s, (e) 80.0 mV/s 和 (f) 100.0mV/s。(B) 3D打印超級(jí)電容器不同電流密度的GCD曲線: (a) 0.5mA/cm
2, (b) 1.0mA/cm
2, (c) 1.5mA/cm
2, (d) 2.0mA/cm
2 and (e) 2.5mA/cm
2。(C)3D打印超級(jí)電容器的EIS曲線。(D)3D打印超級(jí)電容器作為電源裝置的照片。
相關(guān)研究成果由中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Liming Qin等人于2021年發(fā)表在Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133045)上。原文：High area energy density of all-solid-state supercapacitor based on double-network hydrogel with high content of graphene/PANI fiber。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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