基于MoS2/rGO电极的柔性全固态超级电容器研究

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近年来,便携式电子设备正朝着柔性、紧凑和灵活的方向发展,与此同时,传统刚性块状电池逐渐难以满足设备供能需求,急需开发出一种小型化、能量密度高、可承受一定形变的新型柔性储能器件。超级电容器因具有功率密度大、充放电速度快、对环境友好等优点而受到了研究人员的广泛关注,随着近年来各项研究工作的深入,超级电容器在理论研究、材料制备、器件组装等方面已取得众多成果。其中,基于凝胶电解质的柔性全固态超级电容器满足实际多种应用需求,是目前柔性储能器件研究的主要方向之一。二硫化钼(MoS2)属于过渡金属硫化物,具有比金属氧化物更高的内在离子电导率以及较高的理论比电容,是一种极具应用潜力的柔性超级电容器电极材料。本实验采用水热法成功制备出由二维MoS2纳米片自组装而形成的纳米花状产物,同时通过改变相关水热条件,研究了在不同温度下,水热产物形貌和物相变化情况。另一方面,通过改进Hummer法制备了具有高电子迁移率的还原氧化石墨烯材料(rGO),将rGO与MoS2纳米花充分复合,得到MoS2/rGO复合电极材料,以进一步提升材料电学性能。最后将其组装成为全固态超级电容器,并对电容器的电化学性能进行测试,得到以下结论:1、采用水热法合成了花状MoS2纳米颗粒,研究了水热温度对产物形貌及结晶性的影响。当反应温度为180℃时,水热产物呈块状团聚现象;随着温度的升高,二维MoS2纳米片逐渐自组装成纳米花状,结晶性增强;在200℃时,可得到直径2μm左右、结晶性完整的纳米花;当温度继续升高时,纳米花又逐渐出现明显残缺。200℃水热温度,24 h水热反应为MoS2纳米花水热合成的最佳反应条件。2、将MoS2纳米花与rGO复合,可获得具有高电子传输速率的MoS2/rGO复合材料,以该复合材料为全固态超级电容器赝电极,并对器件进行相关电学性能测试。测试结果表明,设置扫描电压为-0.5~+0.5 V,扫速为10~100 m V/s,其CV特性曲线类似矩形,表现出快速电响应速率;GCD曲线近似三角形,说明器件能快速充放电,结合其放电时间及放电电压可计算得出,该超级电容器具有较高的比电容。3、对基于MoS2/rGO复合材料的储能器件进行循环充放电测试,以模拟器件在实际应用中的老化过程。测试结果表明,该超级电容器在循环充放电5000次后,其电容量依然保持在原来的90%,显示出较好的循环稳定性。将电容器进行交流阻抗(EIS)测试,结果显示该电容器内阻为0.8Ω,具有较快的电子传输性能;对比了不同配比MoS2/rGO复合材料的电化学性能,当MoS2与rGO的质量比为3:1时,MoS2/rGO复合材料比容量最高,循环稳定性最好,具有最好的电化学性能。4、将所制备电容器经过0°~180°任意角度折叠,以及分别折叠10次、50次、500次后进行CV测试,结果显示该电容器CV曲线几乎不变,说明该器件在多次物理形变下依然具有较好的电化学性能;利用组装好的简易超级电容器能使额定电压为1.8 V的的LED灯、3 V的电子手表分别工作5分钟、3分钟左右,且在串并联电路中也能够正常工作。
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