清華石高全Adv. Energy Mater.：用于交電流線路濾波器的石墨烯基有機電化學電容器

【引言】

便攜式電子設備的需求不斷增長刺激著高效率電子電路的快速發展，對于大多數線路功率電子器件、鋁電解電容器(AECs)用于過濾交電流(AC)到直流電(DC)。不幸的是，AECs笨重的大小和低的比電容極大地阻礙了電路的集成和小型化電路的發展。電化學電容器(ECs)期望能AECs的選擇之一，因為他們的高的比電容和優異的倍率性能。事實上,幾個基于石墨烯、碳納米管(CNTs) 或導電聚合物的超高倍率的 ECs可以在120赫茲響應諧波，這意味著他們可以應用于開發下一代AC線路過濾器。大多數ECs只有在水系電解質中是可行的，因為水系電解質離子導率高，然而水系電解質的電壓窗口較窄。因此，尋找一個簡單可擴展的制備優異性能交電流線路濾波器有機電化學電容器的方法仍是挑戰。

【成果簡介】

最近，清華大學石高全教授（通訊作者）在Advanced Energy Materials上發表題為“Graphene-Based Organic Electrochemical Capacitors for AC Line Filtering”的文章，研究者們報道了基于電化學還原導向3D交聯多孔結構的少量缺陷石墨烯（ERLGO）膜的有機電化學電容器的制備。為了優化ERLGO電極的性能，LGO片層的平均大小為0.7μm，得到的ERsLGO電極進一步在有機電解液中減少。典型的OEC表現出高的面積比能量密度、良好的電化學穩定性、優越的倍率性能，十分適用于AC線路過濾器。這些OECs可以串聯或并聯連接起來滿足各種工業水平需求。

【圖文介紹】

圖一 LGO或者sLGO片層電化學還原制備石墨烯電極

(a) 石墨烯電極的數碼照片；

(b) LGO片層的SEM圖片；

(c) sLGO片層的SEM圖片；

(d) ERsLGO的斷面SEM圖片；

(e,f) ERsLGO的頂視圖SEM圖片。

圖二 sLGO, ERsLGO和DRsLGO的拉曼圖譜

(a) 冷凍干燥sLGO, ERsLGO和 DRsLGO的拉曼圖譜；

(b) 冷凍干燥sLGO, ERsLGO和 DRsLGO的C 1s XPS圖譜。

圖三 OEC-4的電化學性能

(a) 相位角隨頻率變化圖；

(b) 奈奎斯特圖（內部：高頻率部分擴大試圖）；

(c) 依據頻率的面積比電容曲線圖；

(d) 比電容與頻率實部和虛部對比曲線。

圖四 OEC-4的CV測試

(a-c) OEC-4在不同掃速下的CV曲線；

?(d) 放電電流密度隨掃速變化曲線。

圖五 通過GCD測試OEC-4的倍率性能

(a) OEC-4在不同電流密度下的GCD曲線；

(b) OEC-4在重復GCDs過程中的長期穩定性，電流密度為2mA cm^-2，循環40000圈；

(c) OEC-4的交流電線路濾波器性能；

(d) 用于平滑交流電信號的電路示意圖。

圖六 兩個OEC-4電池串聯或者并聯的性能

(a) 相位角隨頻率變化圖；

(b) 奈奎斯特圖（內部：高頻率部分擴大試圖）；

(c) 掃速為400V/s的CV曲線；

(d) 電流為5mA的GCD曲線。

【小結】

研究者們通過電化學還原sLGO膜作為電極材料在有機電解質中經過進一步深刻的電化學還原成功制備石墨烯基超快有機電化學電容器。這些DRsLGO膜具有高度導向多孔微觀結構與高導電性而且對有機電解液具有良好的潤濕性，因此，電極的表面電解液完全可達，電解液中的離子很容易能夠擴散到電極形成雙電層中而且電子通過高導電石墨烯框架能迅速轉移。典型OEC-4顯示出高的面積比電容，超快的倍率性能和良好的電化學穩定性，適用于AC線路濾波器。此外，OEC的電壓窗口可擴展到3 V，提供更大的能量密度。幾個OEC-4電池可以通過串聯或并聯獲得理想的電容或電壓用于實際應用中。

原文鏈接：Graphene-Based Organic Electrochemical Capacitors for AC Line Filtering.(Adv. Energy Mater. , 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700591)

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