基于表面等离子体改性的三维石墨烯网络复合结构柔性能量存储器件研究

Due to the excellent intrinsic properties, especially high electrical conductivity and large surface area, graphene is deemed as a versatile building block for fabricating functional materials for energy production and storage applications. Despite their advantages, graphene-based composites face two important technical limitations: self-aggregation of graphene sheets and contact resistance between graphene and other materials for the application of energy storage. To solve these problems, this project will develop a novel procedure to fabricate macroscopic, high-quality, nitrogen-doped, 3D graphene/nanoparticle aerogels. The material quality and interface structure will be improved by the surface plasma modification of reduced graphene oxide and solvothermal synthesis of MnO2 on graphene. The relationship for micro-structure and electrochemical properties of 3D graphene/nanoparticle are to be investigated to build up theoretical model for illustrating the transport mechanism of carriers in the electrodes. This research proposal can not only supply new methods to improve the properties of device, but also deepen the understanding of physical mechanism and provide experimental foundation for development of graphene-based materials.

以石墨烯复合材料为代表的新能源材料在能量存储方面有良好的应用前景，成为当今的研究热点。但传统的基于水热合成制备的三维石墨烯复合结构在取得了巨大进展的同时，仍存在氧化石墨烯还原不彻底，片层堆叠严重等问题，严重限制了新型能量存储器件的发展。针对于此，本项目以三维石墨烯网络复合结构柔性能量存储器件为研究对象，采用非水热原位制备三维结构及表面等离子体物理还原的方法，物理修饰氧化石墨烯化学剥离过程中产生的缺陷，并原位掺杂改性；拟解决高质量三维氮掺杂石墨烯结构的制备与调控，赝电容材料/石墨烯界面设计以及载流子传输路径优化两个关键科学问题。理论与实验相结合，深入研究三维复合网络中的载流子转移通道、表面等离子体掺杂对电导性能的调控及界面耦合机制等物理问题。通过理论模拟，优化器件的结构，完善器件制备工艺，最终制备出基于三维复合网络的高性能柔性能量存储器件，为新能源技术的发展提供新途径。

以石墨烯复合材料为代表的新能源材料在能量存储方面有良好的应用前景，成为当今的研究热点。但传统的基于水热合成制备的三维石墨烯复合结构在取得了巨大进展的同时，仍存在氧化石墨烯还原不彻底，片层堆叠严重等问题，严重限制了新型能量存储器件的发展。针对于此，本项目以三维石墨烯网络复合结构柔性能量存储器件为研究对象，采用非水热原位制备三维结构及表面等离子体物理还原的方法，物理修饰氧化石墨烯化学剥离过程中产生的缺陷，并原位掺杂改性。理论与实验相结合，研究了三维复合网络中的载流子转移通道、表面等离子体掺杂对电导性能的调控及界面耦合机制等物理问题。优化器件的结构，完善器件制备工艺，制备出基于三维复合网络的高性能柔性能量存储器件，为新能源技术的发展提供新途径。本课题是在超级电容器电极材料应用基础上的创新，利用等离子体技术物理还原3D结构的氧化石墨烯，并对其进行原位氮掺杂改性。此法在克服了化学还原法还原不彻底、杂质引入等缺点的同时，具有环境友好、高效的特点，适用于高品质3D结构石墨烯的量化制备。基于本项目的研究成果，课题先后成功组装了多个不同结构的柔性器件，其性能分别达到202 F/g以及1500 mF cm-2，在5000次循环测试后依然保留有90%以上的原始性能。结合课题所得到的三维结构，项目还在赝电容材料MnO2的形貌、尺寸、浓度等方面入手，开展了石墨烯与MnO2赝电容材料界面调控的研究。制备出高性能三维石墨烯/ MnO2复合结构柔性超级电容器（393 F/g）。另外，项目组将所制备的等离子体改性石墨烯成功应用在的锂电池领域，并取得了很好的应用效果：在0.1C的情况下比容量达到1186 mAh/g，在200次循环后依然保持96%的原始性能。本项目的研究工作为石墨烯材料在能量存储器件上的应用提供了新的途径。