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北航《Carbon》:一种全激光方案制备铅石墨烯纳米复合电极,用于高性能超级电容器
出处:材料分析与应用  录入日期:2023-11-01  点击数:1728

  1成果简介
  下一代储能设备对金属修饰碳电极的便捷和可扩展制造寄予厚望。受激光诱导石墨烯(LIG)的独特加工特性以及铅的电化学优势的启发,本文,北京航空航天大学 罗斯达教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Full laser irradiation processed Pb-graphene nanocomposite electrodes toward the manufacturing of high-performance supercapacitors”的论文,研究开发了一种全激光方案,通过两个独立的激光辐照过程来组装掺杂铅的 LIG(Pb-LIG)电极,即选择性辐照聚酰亚胺(PI)以形成石墨烯框架,以及选择性熔融-重结晶铅粉末。在实现可定制尺寸和形状的高效生产的同时,还系统地研究了铅用量和激光功率这两个关键参数,以了解工艺与结构之间的关系。
  通过同时考虑这两个因素,发现了一种有趣的双态效应,只要每铅用量的激光能量在100 J mg−1 左右,就能达到 77.77 wt%的最佳铅含量。由于发生了明显的氧化还原法拉第反应,集成的铅含量确实是提高电容性能的基础,实现了面积电容从 25mF cm-2 到 128mF cm-2 的六倍提升。最后,多个Pb-LIG超级电容器可方便地串联或并联,以提高其在储能应用中的性能。
  2图文导读 

 

 

  图1:(a)基于 Pb-LIG 电极的 TES(1)和 MSC(2)的制造过程;(b)大尺寸 LIG 的光学图像,(c)可缩放尺寸的间距 LIG 电极,(d)矩形 Pb-LIG 电极阵列和(e)间距形 Pb-LIG/LIG 电极阵列;(f)原始 LIG 和(g)Pb-LIG 的扫描电镜图像;(h)Pb-LIG 的 TEM 表征。(该图的彩色版可在线查看)。

 

 

 


  图2。不同Pb剂量的Pb-LIG表面的SEM图像

 

 

  图3:(a)EDS 测定的不同铅用量 Pb-LIG 的铅含量;(b)不同铅用量 Pb-LIG 的拉曼峰强度比;(c)XPS 测定的不同铅用量 Pb-LIG 的铅含量

 

 

 

  图4. 用不同激光功率(a) 0.75 W、(b) 1.00 W、(c) 1.25 W、(d) 1.50 W、(e) 1.75 W 至 (f) 2.00 W)加工的铅铅玻璃表面的扫描电镜图像;(g) 用不同激光功率加工的铅铅玻璃的 EDS 测定铅含量;(h) 铅含量与新变量 F的函数关系汇总

 

 

  图5. (a) 不同铅用量下基于 Pb-LIG 的 TES 的 CV 曲线;(b) 与铅用量相关的等电容和铅含量;(c) 不同铅用量下基于 Pb-LIG 的 TES 的 GCD 曲线;(d) 不同激光功率下基于 Pb-LIG 的 TES 的 CV 曲线;(e) 与激光功率有关的等效电容和铅含量;(f) 采用不同激光功率加工的基于铅-铅IG 的 TES 的 GCD 曲线;(g) 等效电容和(h) 比容量与铅含量的函数关系汇总;(i) 长期循环测试

 

 

 

  图6. (a) 对称双 Pb-LIG 和非对称 LIG/Pb-LIG 电极的 MSCs 的 CV 曲线;(b) 不同铅用量的双 Pb-LIG MSCs 的 CV 曲线;(c) 双 Pb-LIG MSCs 的等效电容与 CV 扫描速率的关系;(d) 不同铅用量的双 Pb-LIG MSCs 的 GCD 曲线;(e) Pb-LIG TES 和 Pb-LIG MSC 的等效电容与铅含量的函数关系;(f) 相关 LIG 作品的比能量和比功率比较;(g) 不同弯曲角度下Pb-LIG MSC 的 CV 曲线;(h) 串联和(i) 并联的多个 Pb-LIG MSC 的 CV 和 GCD曲线
  3小结
  通过全激光辐照工艺,制备了Pb-LIG复合材料,用于超级电容器电极以提高电容性能。得益于选择性两步激光辐照,铅颗粒可以深度参与到 LIG 中,从而制备出具有高效、可扩展和可定制形状等优点的铅-LIG 电极。在制造过程中,铅剂量和激光功率对铅含量起着至关重要的作用,而铅含量与电容和容量性能呈正相关。为了优化这两个制造变量,研究人员提出了结合两个变量的激光能量F,以追求更高的铅含量。值得注意的是,在F和铅含量之间发现了双态效应,在 100 J mg-1激光通量时铅含量最高。由于铅含量最高,Pb-LIG 可改善 TES 的电容和容量性能,分别高达 128 mF cm-2 和 0.027 mAh cm-2。此外,双 Pb-LIG MSCs 还能调谐出 14.92 mF cm-2 左右的良好电容,其能量密度和功率密度性能与其他基于 LIG 的超级电容器相当,甚至更好。总之,优化铅含量的制备方法为金属化合物修饰LIG的制备提供了一个简便、快速和经济高效的范例,尤其适用于强力储能电极的制备。

  文献:

 

 

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