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我国研发新型石墨烯薄膜柔性全固态超级电容器

核心提示:全固态柔性超级电容器可为可穿戴电子设备提供安全高效的电源,是新一代柔性电子器件的关键设备。石墨烯作为一种单原子层厚度的二维晶体,兼具优异的光学、电学、热学、力学等性能,是此类新型储能器件的理想材料。然而,由于石墨烯纳米片之间界面作用较弱,且缺少有效的组装方法,研发具有超薄、透明、自支撑的石墨烯薄膜并用作全固态柔性超级电容器仍面临巨大挑战。

日前,记者从合肥工业大学获悉,该校化学与化工学院从怀萍教授科研团队与中国科学技术大学、南京大学等单位合作,成功制备出一种高强度、自支撑、超薄透明的石墨烯薄膜,并成功将该薄膜组装为全固态柔性超级电容器,为下一代柔性电子器件的研发开辟了新的路径。其相关成果发表在国际著名学术刊物《化学》上。

全固态柔性超级电容器可为可穿戴电子设备提供安全高效的电源,是新一代柔性电子器件的关键设备。石墨烯作为一种单原子层厚度的二维晶体,兼具优异的光学、电学、热学、力学等性能,是此类新型储能器件的理想材料。然而,由于石墨烯纳米片之间界面作用较弱,且缺少有效的组装方法,研发具有超薄、透明、自支撑的石墨烯薄膜并用作全固态柔性超级电容器仍面临巨大挑战。

科研人员通过单分子原子力显微镜测量手段,在11种不同有机分子中发现了与氧化石墨烯之间的作用力最强的分子——三聚氰胺。研究发现,由于电荷转移与氢键的协同作用,三聚氰胺分子与氧化石墨烯纳米片之间的非共价作用力达到约1纳牛。通过在氧化石墨烯纳米片层间引入三聚氰胺分子,相邻两层纳米片之间的有效接触大幅增加,使薄膜内部氧化石墨烯片层间的相互作用显著增强,从而制备出具有优异的机械强度的氧化石墨烯薄膜。

实验结果表明,该新型薄膜在可见光550纳米处透光率高达84.6%,经过原位还原后仍然保持优异的机械性能及光学性能。石墨烯薄膜电阻仅有420方阻,展现了优异的超级电容器性能。在循环充放电7500圈后,该薄膜电容值保留高达91.4%。

据介绍,该薄膜仅由两层氧化石墨烯单层膜组成,厚度仅为22纳米,无需辅助材料即可实现自支撑,并可通过增减单层膜层数实现厚度和性能的可控调节。同时,该薄膜横向尺寸达厘米级,具备可裁剪性和优异的拉伸性,且对强酸强碱高度兼容。

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