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中國科學院金屬研究所Feng Li 課題組--批量制備碳化釩/石墨烯電極,用于柔性微型超級電容器
       微型超級電容器(MSC)具有極高的功率密度和超長的循環壽命,在微型電源領域具有廣闊的應用前景。然而,高能量密度柔性MSC的可擴展制造仍然是一個重大挑戰。研究通過高效連續離心澆鑄方法制備偏釩酸銨/氧化石墨烯(NH4VO3/GO)薄膜,再通過激光刻劃來制備碳化釩/還原氧化石墨烯(V8C7/rGO)MSC。在30分鐘內,可在柔性基板上生產20多個MSC,顯示出可擴展制造的潛力。激光誘導的V8C7/rGO顯示出高度多孔的微觀結構,其中碳化釩納米顆粒被原位合成并均勻地修飾在石墨烯納米片上。定義良好的體系結構賦予V8C7/rGO MSC優異的電化學性能。這些設備的面積電容可高達49.5 mF cm−2,比rGO-MSCs高11倍。體積能量密度和功率密度可高達3.4 mWh cm-3和401 mW cm-3 ,與商用儲能設備和大多數報道的MSC相競爭。此外,V8C7/rGO MSC具有良好的靈活性和可集成性,以及較長的循環壽命,具有良好的實際應用前景。V8C7/rGO MSCs優異的電化學性能使其成為理想的微型電源。本文開發的石墨烯基MSC的制造方法也有望進一步用于其他柔性微器件和微系統的設計、可擴展制造和集成,以實現多樣化的應用。
 
 
Figure 1. (a)V8C7/rGO MSCs的制造過程和(b)V8C7/rGO形成機制的示意圖。
 
 
Figure 2. V8C7/rGO電極的結構表征。(a)-(c)XRD圖和(d)不同激光功率下V8C7/rGO電極的相應C/O原子比的XRD圖(e)V8C7/rGO 電極在390 mW時C 1s和(f)V 2p 的XPS圖,注:0 mW 對應于激光劃線前的原始薄膜。
 
 
Figure 3. V8C7/rGO電極在390 mW時的SEM表征。(a)和(b)側視圖以及(c)和(d)不同放大倍數下的俯視SEM圖。
 

Figure 4. V8C7/rGO電極在390 mW時的TEM表征。(a)和(b)不同放大倍數下的TEM圖。(c)HRTEM圖。(d)C、V和O元素的HAADF-STEM圖和相應的EDS圖。
  
  
Figure 5. V8C7/rGO MSCs的電化學表征。(a)不同激光功率下V8C7/rGO MSCs 在1mV s-1 時的CV曲線。(b)390 mW下V8C7/rGO MSCs在不同掃描速率時的CV曲線。(c)不同激光功率下V8C7/rGO MSCs在13mA cm-2時的GCD曲線。(d)390 mW下V8C7/rGO MSC在不同電流密度時的GCD曲線。(e)不同激光功率下V8C7/rGO MSCs面積比電容與電流密度的關系。(f)不同激光功率下 V8C7/rGO MSCs和rGO MSCs在13mA cm-2時的面積比電容比較。(g)390 mW下V8C7/rGO MSC體積比電容與電流密度的關系。(h)390 mW下V8C7/rGO MSC 與390 mW下rGO MSC,市售的儲能設備(鋰薄膜電池),鋁電解電容器,商用超級電容器(SC)和活性炭超級電容器(AC-SC)的Ragone圖。(i)390 mW下 V8C7/rGO MSC在651mA cm-2下的循環穩定性測試。
 

Figure 6 V8C7/rGO MSC在390 mW時具有優異的靈活性和可集成性。不同彎曲角度下MSCs在2 mV s-1下的(a)照片和(b)CV曲線。(c)在13 mA cm-2下充電至3.2 V后,由四個串聯的MSC供電的LED照片。串聯或并聯的兩個MSC在2 mV s-1(d)的CV曲線和在6 mA cm-2時的GCD曲線。
 
       相關研究成果由中國科學院金屬研究所Feng Li 課題組于2021年發表于《Carbon》(https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.07.066)上。原文:Scalable fabrication of vanadium carbide/graphene electrodes for high-energy and flexible microsupercapacitors。

轉自《石墨烯雜志》公眾號

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