基于石墨烯納米片的N摻雜納米碳纖維集成電極的柔性全固態超級電容器

DOI:10.1016/j.electacta.2019.135398

開發了一種新穎的可行且可擴展的策略，以制備嵌入石墨烯納米片（HN-CNFs / GNs）的空心N摻雜碳納米纖維的分層多孔無紡布，作為柔性全固態超級電容器的集成電極。研究發現石墨烯納米片（GNs）在電紡纖維內部卷曲，但在碳化后以納米片的形式自由膨脹并連接相鄰的CNFs，從而也增加了電化學電容界面和電導率。當GNs的重量比為2 wt.％時，HN-CNFs/GNs在三電極配置下以1 A g^-1的速度提供249 F g^-1的高電容。兩電極對稱的電池可提供出色的循環穩定性，并且在5000次循環后不會降低電容。對稱的全固態超級電容器具有出色的循環穩定性，在2000次循環后仍保持90％的容量，并具有高倍率容量。該器件還具有出色的柔韌性，即使彎曲到180°也沒有明顯的電容衰減。這項研究證明了HN-CNFs/GNs無紡布在高效、可穿戴和柔性儲能設備中的潛在應用。

圖1.（a）HN-CNF/GNs合成過程的示意圖。（b）紡制的納米纖維，（c）預氧化納米纖維和（d）碳納米纖維的SEM圖像。

圖2.不同GNs重量比的HN-CNFs/GNs的SEM和TEM圖像。 （a）HN-CNFs/GNs-0，（b）HN-CNFs/GNs-1，（c）HN-CNFs/GNs-2，（d）HN-CNFs/GNs-3，（e）單個中空CNF的SEM圖像，（f）單個空心CNF的TEM圖像。

圖3.（a）不同GNs重量比的HN-CNFs/GNs的XRD衍射，（b）拉曼光譜，（c）XPS光譜，（d，e）HN-CNFs/GNs-2的高分辨率C 1s和N 1s光譜，（f）HN-CNFs/GNs-2的孔徑分布，插圖顯示HN-CNFs/GNs-2的N2吸附/解吸等溫線。

圖4.HN-CNFs/GNs在三電極系統中的電化學性能。（a）在100 mV s^-1的掃描速率下具有不同GNs重量比的HN-CNFs/GNs的CV曲線，（b）在不同的掃描速率下HN-CNFs/GNs-2的CV曲線，（c）不同電流密度下HN-CNFs/GNs-2的GCD曲線，（d）不同GNs重量比的HN-CNFs/GNs在不同電流密度下的比電容，（e）HN-CNFs/GNs的奈奎斯特圖。

圖5.HN-CNFs/GNs在兩電極系統中的電化學性能。（a）在100 mV s^-1的掃描速率下HN-CNFs/GNs的CV曲線，（b）在不同掃描速率下HN-CNFs/GNs-2的CV曲線，（c）不同電流密度下HN-CNFs/GNs-2的GCD曲線，（d）在不同電流密度下HN-CNF/GNs的比電容。（e）HN-CNFs/GNs在1 A g^-1下的循環性能。（f）HN-CNFs/GNs的奈奎斯特圖。

圖6.HN-CNFs/GNs在柔性全固態超級電容器中的電化學性能（a）掃描速度為100 mV s^-1時HN-CNFs/GNs的CV曲線，（b）不同電流密度下HN-CNFs/GNs的比電容，（c）HN-CNFs/GNs的奈奎斯特圖，（d）不同掃描速度下HN-CNFs/GNs-2的CV曲線，（e）不同電流密度下HN-CNFs/GNs-2的GCD曲線，（f）在2 A g^-1下HN-CNFs/GNs-2的循環性能，插圖顯示最近10個循環的GCD曲線。

圖7.（a）HN CNFs/GNs-2在不同彎曲角度下，在50 mV s^-1處測得的CV曲線，（b）相應的數字圖像，（I）0°，（II）45°，（III）90°，（IV）180°和（V）損壞，（c）全固態對稱超級電容器的示意圖，（d）數碼照片顯示由三個串聯固態SCs供電的藍色LED，以及柔性無紡布HN-CNFS/GNS-2，（e）在HN-CNFs/GNs-2的0.5 A g^-1處測試的1-2個串聯細胞的GCD曲線，（f）全固態HN-CNFs/GNs-2器件的Ragone圖，與最近報道的一些全固態儲能器件進行比較。