清华石高全Adv. Energy Mater.:用于交电流线路滤波器的石墨烯基有机电化学电容器

材料人2018-11-12 13:41:08

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【引言】


便携式电子设备的需求不断增长刺激着高效率电子电路的快速发展,对于大多数线路功率电子器件、铝电解电容器(AECs)用于过滤交电流(AC)到直流电(DC)。不幸的是,AECs笨重的大小和低的比电容极大地阻碍了电路的集成和小型化电路的发展。电化学电容器(ECs)期望能AECs的选择之一,因为他们的高的比电容和优异的倍率性能。事实上,几个基于石墨烯、碳纳米管(CNTs) 或导电聚合物的超高倍率的 ECs可以在120赫兹响应谐波,这意味着他们可以应用于开发下一代AC线路过滤器。大多数ECs只有在水系电解质中是可行的,因为水系电解质离子导率高,然而水系电解质的电压窗口较窄。因此,寻找一个简单可扩展的制备优异性能交电流线路滤波器有机电化学电容器的方法仍是挑战。


【成果简介】


最近,清华大学石高全教授(通讯作者)在Advanced Energy Materials上发表题为“Graphene-Based Organic Electrochemical Capacitors for AC Line Filtering”的文章,研究者们报道了基于电化学还原导向3D交联多孔结构的少量缺陷石墨烯(ERLGO)膜的有机电化学电容器的制备。为了优化ERLGO电极的性能,LGO片层的平均大小为0.7μm,得到的ERsLGO电极进一步在有机电解液中减少。典型的OEC表现出高的面积比能量密度、良好的电化学稳定性、优越的倍率性能,十分适用于AC线路过滤器。这些OECs可以串联或并联连接起来满足各种工业水平需求。


【图文介绍】


图一 LGO或者sLGO片层电化学还原制备石墨烯电极



(a) 石墨烯电极的数码照片;

(b) LGO片层的SEM图片;

(c) sLGO片层的SEM图片;

(d) ERsLGO的断面SEM图片;

(e,f) ERsLGO的顶视图SEM图片。


图二 sLGO, ERsLGO和DRsLGO的拉曼图谱



(a) 冷冻干燥sLGO, ERsLGO和 DRsLGO的拉曼图谱;

(b) 冷冻干燥sLGO, ERsLGO和 DRsLGO的C 1s XPS图谱。


图三 OEC-4的电化学性能



(a) 相位角随频率变化图;

(b) 奈奎斯特图(内部:高频率部分扩大试图);

(c) 依据频率的面积比电容曲线图;

(d) 比电容与频率实部和虚部对比曲线。


图四 OEC-4的CV测试



(a-c) OEC-4在不同扫速下的CV曲线;

 (d) 放电电流密度随扫速变化曲线。


图五 通过GCD测试OEC-4的倍率性能



(a) OEC-4在不同电流密度下的GCD曲线;

(b) OEC-4在重复GCDs过程中的长期稳定性,电流密度为2mA cm-2,循环40000圈;

(c) OEC-4的交流电线路滤波器性能;

(d) 用于平滑交流电信号的电路示意图。


图六 两个OEC-4电池串联或者并联的性能



(a) 相位角随频率变化图;

(b) 奈奎斯特图(内部:高频率部分扩大试图);

(c) 扫速为400V/s的CV曲线;

(d) 电流为5mA的GCD曲线。


【小结】


研究者们通过电化学还原sLGO膜作为电极材料在有机电解质中经过进一步深刻的电化学还原成功制备石墨烯基超快有机电化学电容器。这些DRsLGO膜具有高度导向多孔微观结构与高导电性而且对有机电解液具有良好的润湿性,因此,电极的表面电解液完全可达,电解液中的离子很容易能够扩散到电极形成双电层中而且电子通过高导电石墨烯框架能迅速转移。典型OEC-4显示出高的面积比电容,超快的倍率性能和良好的电化学稳定性,适用于AC线路滤波器。此外,OEC的电压窗口可扩展到3 V,提供更大的能量密度。几个OEC-4电池可以通过串联或并联获得理想的电容或电压用于实际应用中。


原文链接:Graphene-Based Organic Electrochemical Capacitors for AC Line Filtering.(Adv. Energy Mater. , 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700591)(见下方“阅读原文”)


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