苏州大学《Carbon》：独立式表面氧化多层石墨烯薄膜的自组装，用于大容量超级电容器

成果简介

为了最大限度地提高超级电容器在器件层面上的性能，必须提高电极的容积电容并降低非活性成分的比例。然而，实现这两个目标仍然是一个挑战。本文，苏州大学Yuan Liu、王权 教授等在《Carbon》期刊发表名为“Self-assembly of free-standing surface-oxidized multilayer graphene film for high volumetric supercapacitors”的论文，研究通过一种简便的电化学方法制备了表面氧化多层石墨烯（SMG）。其独特的厚度和氧基团有利于孔隙率和密度的平衡，有利于制备独立的石墨烯电极。独立式SMG电极的制备方法具有简单、环保、节能、高稳定性等多方面的优点。此外，SMG可实现217.6 F cm-3的高电容和120.27 Wh L-1的地标能量密度，为储能的实际应用提供了潜在的前景。

图文导读

图1. (a) 石墨、GO、rGO 和 SMG 的结构示意图。(b-d）SMG薄片的SEM、TEM和AFM图像。插图为放大的SEM图像、边缘的TEM图像以及相应红线的高度剖面图。(e）SMG薄片的宽范围和精细扫描C 1s（插图）XPS光谱。(f)SMG片材的傅立叶变换红外光谱，插图为羧基、环氧基和羟基氧基方案。(g) SMG油墨（1.5 wt%）的粘度和剪切应力与剪切速率的关系，插图为不同浓度的SMG油墨在自动模式下的粘度。(h，i）SMG片材的拉曼光谱和XRD光谱。(j) SMG薄片在N2和空气中的TG和DTG曲线

图2. (a) SMG 独特的自组装和快速离子及电荷转移的微观结构示意图。(b) SMG薄膜生产的浇铸方法方案。(c) m2级SMG薄膜的照片。(d) SMG薄膜的柔韧性（折叠平面、滚动、弯曲、扭曲等）。

图3. (a, b) 不同温度退火和不同厚度 SMG 薄膜的应力-应变曲线。(c) SMG薄膜的俯视图和横截面SEM图像。(d) N2吸附-解吸等温线，插图为SMG薄膜的四探针电阻。(e) 石墨烯薄膜典型制备方法比较。

图4. (a, b) SMG 薄膜在 3 M KOH 中不同扫描速率和电流密度下的 CV 和 GCD 曲线。(c) SMG薄膜的Cv与扫描速率和电流密度的关系。(d) SMG电极在17 A cm-3电流密度下的循环稳定性。(e) SMG薄膜在1 M H2SO4、1 M KCl和1 M Na2SO4中不同扫描速率下的CV。插图为在20 mV s-1条件下测量的CV曲线。(f) Cv保持率随着退火温度、质量密度和平均质量负载的增加而略有下降。

图5 (a,b)SMG//SMG自制SC在EMIM-BF4电解液中不同扫描速率和电流密度下的CV和GCD曲线。(c) SMG//SMG自制SC的Cv与电流密度的关系。插图为SMG//SMG在EMIM-BF4电解液中的奈奎斯特图。(d) SMG薄膜的Cv和Ca与已报道电极材料的比较，数字对应于表S2中列出的电极。(这里的结果主要是与纯碳材料的比较）。(e) SMG//SMG自制SC的Ragone图与报告结果的比较。

小结

受石墨、石墨烯和GO优点的启发，我们制备了具有适度厚度和适当O含量的SMG，以实现高密度、良好的电荷转移和氧活性位点等。然后，我们展示了一种制备高容积独立SC电极的简便方法。制备的SC在0.85 A cm-3条件下电容为217.6 F cm-3 (0.5 A g-1 条件下电容为128 F g-1), 在641.44 W L-1条件下能量密度为120.27 Wh L-1 (377.32 W kg-1 条件下能量密度为70.75 Wh kg-1) 。该研究为高性能SC电极的实际应用提供了简便的制备方法。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118286