為了提高全固態(tài)超級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，目前的研究很少報道活性物質(zhì)含量高（即>20.0wt%）的水凝膠電極及其對超級電容器性能的影響。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)超級電容器開辟了新的途徑。
流程圖一。所有全固態(tài)超級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道的超級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打印超級電容器的EIS曲線。(D)3D打印超級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
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