[论文解读] Influence of aqueous electrolytes on electrochemical performance of vertical graphene nanosheets supercapacitor electrode

Subrata Ghosh, Bhavana Gupta+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2016

Supercapacitor Materials and Fabrication参考文献 53被引用 46

一句话总结

本研究采用水系电解质（Na2SO4、KOH、H2SO4）研究了垂直石墨烯纳米片（VGN）作为超级电容器电极的性能，结果表明H2SO4电解质可实现188 µF/cm²的最高比面电容，且在200次循环后电容保持率达96.8%，阻抗变化极小。VGN通过微波等离子体增强化学气相沉积法合成，并利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、拉曼光谱和接触角分析进行表征，以关联其结构与电化学性能。

ABSTRACT

Vertical graphene nanosheets (VGN) grown as controlled porous network are studied and demonstrated as a promising electrode material for supercapacitors. The VGN synthesized by microwave plasma enhanced chemical vapor deposition using CH4/Ar gas mixture as precursor are considered for electrochemical performance in Na2SO4, KOH, and H2SO4 to delineate the electrolyte effect. Among the electrolytes, H2SO4 exhibited excellent specific areal capacitance (188 microfarad/cm2) and good capacitance retention (96.8%). No significant change is observed in impedance spectra even after 200 cycles. An electric equivalent circuit for the system is simulated from Nyquist plot to elucidate the behavior of electrode/electrolyte interface. This potential supercapacitor electrode material is well characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, and contact angle measurement. Utilization of aqueous electrolytes for potential supercapacitors is also discussed in relation to improved performance observed in H2SO4 medium.

研究动机与目标

• 评估不同水系电解质中垂直取向石墨烯纳米片（VGN）作为超级电容器电极的电化学性能。
• 识别在VGN基超级电容器中能最大化电容和稳定性的最优电解质。
• 将VGN的微观结构与表面特性与其电化学行为相关联。
• 通过电化学阻抗谱和等效电路建模，理解电极/电解质界面行为。

提出的方法

• 采用甲烷/氩气体混合物的微波等离子体增强化学气相沉积法（MPECVD）合成垂直石墨烯纳米片（VGN）。
• 利用循环伏安法和恒电流充放电测试，在三种水系电解质（Na2SO4、KOH、H2SO4）中评估电化学性能。
• 通过电化学阻抗谱（EIS）分析电荷转移电阻和界面行为，并将等效电路模型拟合至奈奎斯特图。
• 利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和拉曼光谱对结构和形貌进行表征。
• 通过接触角测量评估表面润湿性，以关联离子可及性与界面电荷转移。
• 通过200次充放电循环评估电容保持率和库仑效率，以评估长期稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Na2SO4、KOH和H2SO4三种水系电解质中，哪种电解质在垂直石墨烯纳米片电极中产生最高的比面电容？
• RQ2 通过电化学阻抗谱分析，VGN与不同水系电解质之间的界面电荷转移行为有何差异？
• RQ3 VGN电极在不同电解质中经反复循环后，其长期电化学稳定性如何？
• RQ4 VGN的微观结构和表面化学如何影响离子传输与电容性能？
• RQ5 等效电路模型在多大程度上能准确反映VGN基超级电容器中电极/电解质界面的行为？

主要发现

• H2SO4电解质实现了188 µF/cm²的最高比面电容，优于Na2SO4和KOH。
• H2SO4电解质中的VGN电极在200次充放电循环后表现出优异的电容保持率（96.8%）。
• 200次循环后阻抗谱无显著变化，表明具有优异的电化学稳定性。
• 基于奈奎斯特图拟合得到的等效电路模型有效描述了电极/电解质界面行为。
• 接触角测量证实H2SO4提高了润湿性，有利于离子到达VGN表面。
• 拉曼光谱证实了高质量石墨烯的存在且缺陷极少，支持高效的电荷传输。