为了提高全固态超级电容器的能量和功率密度，人们越来越关注具有不同化学结构和成分的电极和电解质材料的开发。然而，目前的研究很少报道活性物质含量高（即>20.0wt%）的水凝胶电极及其对超级电容器性能的影响。在这里，我们开发并制备了一种双网络水凝胶电极，通过刮涂和3D打印技术应用于全固态超级电容器。此外，水凝胶电极具有异常高的活性物含量（25.0wt%），导致高面比电容（871.4mF/cm²）和面积能量密度（0.14mWh/cm² at 0.27mW/cm²）。本研究为大规模开发高性能全固态超级电容器开辟了新的途径。
 
  
流程图一。所有全固态超级电容器的制备示意图。
 
 
图1. (A) (a-b)液晶结构示意图,(c)基于液晶结构的凝胶光学照片, (d)基于液晶结构的凝胶偏振光显微镜图。(B)含有PANI和石墨烯的双网络水凝胶示意图。(C) (a) PVA和活性材料混合物的光学照片, (b) PVA、活性材料和液晶相混合物的光学照片, (c)经硼酸浸泡和固化后的双网络水凝胶的光学照片。
 
 
图2. (A)PANI和(B)石墨烯的SEM图像。双网络水凝胶的(C-D)表面和(E-F)截面SEM图像。
 
 
图3. (A)具有不同活性物质含量的基于双网络水凝胶超级电容器的CV曲线, 速率为10.0mV/s，(a)0，(b)5.0wt%，(c)10.0wt%，(d)15.0wt%，(e)20.0wt%，(f)25.0wt%。(B)活性物质含量为25.0wt%，基于双网络水凝胶超级电容器的CV曲线与扫描速率的关系，(a) 20mV/s, (b) 40mV/s, (c) 60mV/s, (d) 80mV/s 和 (e) 100mV/s。
 

图4. (A)GCD曲线和(B)含有不同活性物质含量，基于双网络水凝胶超级电容器的面积比电容，(a) 0, (b)5.0wt%, (c)10.0wt%, (d)15.0wt%, (e)20.0wt% 和(f)25.0wt%。(C)活性物质含量为25.0wt%的基于双网络水凝胶超级电容器随电流密度变化的GCD曲线：(a) 2.5mA/cm², (b) 2.0mA/cm², (c)1.5mA/cm², (d)1.0mA/cm² 和 (e) 0.5mA/cm²。(D)活性物质含量为25.0wt%的基于双网络水凝胶超级电容器的面积比电容随电流密度的变化(从0.5到2.5 mA/cm²)。
 
 
图5. (A)活性物质含量为25.0wt%的基于双网络水凝胶超级电容器的容量保持率与充放电循环的关系。(B)在不同电流密度下，目前和以往工作中报道的超级电容器的面能量密度与面功率密度之间的关系。(C)扫描速率为5.0 mV/s时的CV曲线；(D)电流密度为3.5 mA/cm~2的双网络水凝胶超级电容器的GCD曲线，该曲线随弯曲角度的变化而变化；(3)扫描速率为5.0 mV/s时的CV曲线；(D)活性物质为25wt%的基于双网络水凝胶与弯曲角的函数关系在电流密度为3.5 mA/cm²时的GCD曲线。
 
 
图6. 具有不同含量活性物质的基于双网络水凝胶的超级电容器的EIS光谱, (A)0, (B)5.0wt%, (C)10.0wt%, (D)15.0wt%, (E)20.0wt%, 和(F) 25.0wt%。
 
 
图7. (A)凝胶前体的表观粘度是剪切速率的函数,(B)凝胶前体的储能模量和损耗模量是剪切应力的函数。
 

图8. (A) 3D打印超级电容器在不同扫描速率下的CV曲线: (a) 10.0mV/s, (b) 20.0mV/s, (c) 40.0mV/s, (d) 60.0mV/s, (e) 80.0 mV/s 和 (f) 100.0mV/s。(B) 3D打印超级电容器不同电流密度的GCD曲线: (a) 0.5mA/cm², (b) 1.0mA/cm², (c) 1.5mA/cm², (d) 2.0mA/cm² and (e) 2.5mA/cm²。(C)3D打印超级电容器的EIS曲线。(D)3D打印超级电容器作为电源装置的照片。
 
        相关研究成果由中北大学材料科学与工程学院Liming Qin等人于2021年发表在Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133045)上。原文：High area energy density of all-solid-state supercapacitor based on double-network hydrogel with high content of graphene/PANI fiber。

转自《石墨烯研究》公众号