[论文解读] Graphene based Supercapacitors with Improved Specific Capacitance and Fast Charging Time at High Current Density

Santhakumar Kannappan, K. Karthikeyan+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2013

Supercapacitor Materials and Fabrication被引用 32

一句话总结

本研究展示了一款基于石墨烯的超级电容器，其在2.5 A g⁻¹电流密度下实现了增强的比电容（195 Fg⁻¹）和能量密度（83.4 Whkg⁻¹），并可在约25秒内完成快速充电，实现64.18 Whkg⁻¹的能量输出。该性能源于一种高度多孔、非堆叠的石墨烯结构，提升了离子可及性，并通过优化集流体方法，使器件在高电流密度下稳定运行，10,000次循环后电容保持率达98%。

ABSTRACT

Graphene is a promising material for energy storage, especially for high performance supercapacitors. For real time high power applications, it is critical to have high specific capacitance with fast charging time at high current density. Using a modified Hummer's method and tip sonication for graphene synthesis, here we show graphene-based supercapacitors with high stability and significantly-improved electrical double layer capacitance and energy density with fast charging and discharging time at a high current density, due to enhanced ionic electrolyte accessibility in deeper regions. The discharge capacitance and energy density values, 195 Fg-1 and 83.4 Whkg-1, are achieved at a current density of 2.5 Ag-1. The time required to discharge 64.18 Whkg-1 at 5 A/g is around 25 sec. At 7.5 Ag-1 current density, the cell can deliver a specific capacitance of about 137 Fg-1 and maintain 98 % of its initial value after 10,000 cycles, suggesting that the stable performance of supercapacitors at high current rates is suitable for fast charging-discharging applications. We attribute this superior performance to the highly porous nature of graphene prepared with minimum restacking due to crimple nature wrinkles and the improved current collecting method.

研究动机与目标

• 开发具有高比电容和快速充电能力的石墨烯基超级电容器，以满足高功率应用需求。
• 解决传统石墨烯超级电容器在高电流密度下电容衰减和动力学缓慢的问题。
• 通过结构工程提升石墨烯电极中电解质离子的可及性。
• 优化集流体设计以提高电子传输效率，支持高倍率性能。
• 在高电流密度条件下实现稳定、长期的循环性能。

提出的方法

• 采用改进的Hummer法合成石墨烯，随后通过探针超声处理减少堆叠并诱导褶皱。
• 构建具有本征褶皱的高多孔石墨烯结构，以增强离子传输和电解质渗透。
• 采用优化的集流体收集方法，降低电阻并改善电子转移。
• 通过循环伏安法、恒电流充放电测试及不同电流密度下的循环稳定性测试进行电化学表征。
• 在高电流条件下（最高达7.5 A g⁻¹）测量比电容、能量密度及充放电时间。
• 分析结构与电化学性能，建立形貌与性能之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合改进的Hummer法与探针超声处理，能否生成堆叠减少、孔隙率提升的石墨烯，从而改善超级电容器性能？
• RQ2 褶皱状多孔石墨烯结构是否能显著提升离子可及性，并降低高电流密度下的离子扩散阻力？
• RQ3 优化的集流体设计在多大程度上提升了倍率性能并减少了极化？
• RQ4 在高电流密度（如2.5–7.5 A g⁻¹）下，能否保持高比电容和能量密度而不出现显著衰减？
• RQ5 该超级电容器在高电流密度下长期循环性能如何，特别是在10,000次循环后？

主要发现

• 在2.5 A g⁻¹电流密度下，超级电容器的比电容达到195 Fg⁻¹，能量密度为83.4 Whkg⁻¹。
• 在5 A g⁻¹下，释放64.18 Whkg⁻¹能量所需时间约为25秒。
• 在7.5 A g⁻¹下，器件比电容保持约137 Fg⁻¹，10,000次循环后电容保持率达98%。
• 高度多孔、非堆叠的石墨烯结构结合褶皱形貌，显著提升了电解质离子的可及性与离子传输速率。
• 优化的集流体设计有效降低了内阻，改善了倍率性能。
• 结构工程与界面优化相结合，实现了在极端电流条件下的稳定、高功率运行。