电极中碳纳米管含量对其储能性能影响的研究分析

高性能微型超级电容器的进步在微型电子设备的发展和应用中扮演着重要的角色。石墨烯由于其理论比表面积高、导电性好、机械性能优良等优势被认为是微型超级电容器电极材料的优先选择。但是，石墨烯本身二维结构的特性造成其容易堆叠团聚，阻碍其同电解质的有效接触，抑制该材料电化学储能性能发挥。所以，迫切需要发展一种高效方法来调控石墨烯基电极结构，缓解其堆叠团聚问题，增强石墨烯基微型电容器电化学储能性能。

西安交通大学材料科学与工程学院李磊课题组针对这一问题，发展了一种高效方法制备石墨烯-碳纳米管复合材料墨汁，进而通过墨汁直写技术制备了微型超级电容器。在器件电极材料中，碳纳米管的加入可以实现对电极结构的直接调控，抑制石墨烯的堆叠团聚现象。本文详细地研究了电极中碳纳米管含量对其电化学储能性能的影响。研究发现随碳纳米管含量的增加，微型超级电容器的面容量先增加，后降低。当碳纳米管的含量为5% 时，器件具有最优的面容量，即在0.05 mA/cm-2时，面容量达到9.81 mF/cm-2，当电流密度增加到0.40 mA/cm-2时，依然保持在8.05 mF/cm-2。

器件在0.026 mW cm–2的功率密度下实现了1.36 µWh cm–2的高面能量密度。同时，该器件也表现出优异的机械性能和循环稳定性。当不同弯曲应变条件下，其面容量均没有明显的改变；在0.10 mA/cm-2的电流密度下进行充放电循环，10，000 次循环后仍然有95.5% 的容量保持率。

该工作中发展的石墨烯基电极结构调控方法对发展高性能石墨烯基微型超级电容器和解决其它二维材料存在的堆叠团聚问题提供了可借鉴思路。相关结果发表在Advanced Functional Materials（DOI： 10.1002/adfm.201907284）上。

超级电容器，尤其是双电层电容器，是一种在电极表面快速存储和释放电荷的储电装置。由于高比表面积的电极能提升超级电容器的储电容量（电容），因而超级电容器电极材料需具备高比表面积。最常用的增大电极比表面积方法是将电极材料制备为多孔结构。然而，电极材料孔隙率过高会降低电极密度，并产生应用层面的问题：

（ 1 ）低密度使得电极材料蓬松，增大超级电容器体积，不利于应用于微型或便携式电子器件；

（ 2 ）在电极中多余的孔隙会被液态电解液填充，无储能能力，却增加了器件质量。同样不利于在便携式电子设备中的应用。

因此，如何调控电极材料的比表面积和密度，而保留电极材料高比表面积的同时尽可能增大其密度成为超级电容器研究的挑战。

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