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基于石墨烯纳米片的N掺杂纳米碳纤维集成电极的柔性全固态超级电容器

2019-12-21   易丝帮

DOI:10.1016/j.electacta.2019.135398

开发了一种新颖的可行且可扩展的策略,以制备嵌入石墨烯纳米片(HN-CNFs / GNs)的空心N掺杂碳纳米纤维的分层多孔无纺布,作为柔性全固态超级电容器的集成电极。研究发现石墨烯纳米片(GNs)在电纺纤维内部卷曲,但在碳化后以纳米片的形式自由膨胀并连接相邻的CNFs,从而也增加了电化学电容界面和电导率。当GNs的重量比为2 wt.%时,HN-CNFs/GNs在三电极配置下以1 A g-1的速度提供249 F g-1的高电容。两电极对称的电池可提供出色的循环稳定性,并且在5000次循环后不会降低电容。对称的全固态超级电容器具有出色的循环稳定性,在2000次循环后仍保持90%的容量,并具有高倍率容量。该器件还具有出色的柔韧性,即使弯曲到180°也没有明显的电容衰减。这项研究证明了HN-CNFs/GNs无纺布在高效、可穿戴和柔性储能设备中的潜在应用。


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图1.(a)HN-CNF/GNs合成过程的示意图。(b)纺制的纳米纤维,(c)预氧化纳米纤维和(d)碳纳米纤维的SEM图像。


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图2.不同GNs重量比的HN-CNFs/GNs的SEM和TEM图像。 (a)HN-CNFs/GNs-0,(b)HN-CNFs/GNs-1,(c)HN-CNFs/GNs-2,(d)HN-CNFs/GNs-3,(e)单个中空CNF的SEM图像,(f)单个空心CNF的TEM图像。


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图3.(a)不同GNs重量比的HN-CNFs/GNs的XRD衍射,(b)拉曼光谱,(c)XPS光谱,(d,e)HN-CNFs/GNs-2的高分辨率C 1s和N 1s光谱,(f)HN-CNFs/GNs-2的孔径分布,插图显示HN-CNFs/GNs-2的N2吸附/解吸等温线。


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图4.HN-CNFs/GNs在三电极系统中的电化学性能。(a)在100 mV s-1的扫描速率下具有不同GNs重量比的HN-CNFs/GNs的CV曲线,(b)在不同的扫描速率下HN-CNFs/GNs-2的CV曲线,(c)不同电流密度下HN-CNFs/GNs-2的GCD曲线,(d)不同GNs重量比的HN-CNFs/GNs在不同电流密度下的比电容,(e)HN-CNFs/GNs的奈奎斯特图。


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图5.HN-CNFs/GNs在两电极系统中的电化学性能。(a)在100 mV s-1的扫描速率下HN-CNFs/GNs的CV曲线,(b)在不同扫描速率下HN-CNFs/GNs-2的CV曲线,(c)不同电流密度下HN-CNFs/GNs-2的GCD曲线,(d)在不同电流密度下HN-CNF/GNs的比电容。(e)HN-CNFs/GNs在1 A g-1下的循环性能。(f)HN-CNFs/GNs的奈奎斯特图。


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图6.HN-CNFs/GNs在柔性全固态超级电容器中的电化学性能(a)扫描速度为100 mV s-1时HN-CNFs/GNs的CV曲线,(b)不同电流密度下HN-CNFs/GNs的比电容,(c)HN-CNFs/GNs的奈奎斯特图,(d)不同扫描速度下HN-CNFs/GNs-2的CV曲线,(e)不同电流密度下HN-CNFs/GNs-2的GCD曲线,(f)在2 A g-1下HN-CNFs/GNs-2的循环性能,插图显示最近10个循环的GCD曲线。


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图7.(a)HN CNFs/GNs-2在不同弯曲角度下,在50 mV s-1处测得的CV曲线,(b)相应的数字图像,(I)0°,(II)45°,(III)90°,(IV)180°和(V)损坏,(c)全固态对称超级电容器的示意图,(d)数码照片显示由三个串联固态SCs供电的蓝色LED,以及柔性无纺布HN-CNFS/GNS-2,(e)在HN-CNFs/GNs-2的0.5 A g-1处测试的1-2个串联细胞的GCD曲线,(f)全固态HN-CNFs/GNs-2器件的Ragone图,与最近报道的一些全固态储能器件进行比较。



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