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清華大學Huhu Cheng 和Liangti Qu課題組--石墨烯離子凝膠電極超快過濾超級電容器，具有 4 V 工作窗口和 150℃工作溫度

濾波電容器在日益增長的電子產品中起著至關重要的作用，以保證復雜環境中的電流穩定性。然而，目前的濾波器件由于比電容低、體積大，難以滿足超級計算機、電動汽車、飛機等惡劣的溫度環境和小尺寸的要求。因此，基于垂直取向的石墨烯離子凝膠電極 (GI-EC) 開發了一種超快電化學電容器，該電容器具有高達 150℃的耐熱性和4 V的寬電壓窗口。由于特別定向的石墨烯納米片誘導快速離子傳輸，這種離子電化學電容器顯示出 1784 µF V² cm^-2的高面積比能量密度，在 150℃時相位角為 -80.0°(120 Hz)，大于大多數報道的電化學電容器。此外，它可以以平滑直流信號過濾任意波形，并在10至10⁴Hz 的寬頻率范圍內工作良好。GI-EC 串聯或并聯的簡單集成還可以進一步提供所需的電容或高電壓。GI-EC具有高倍率性能、寬電壓窗口和高溫適應性，為普遍適用的濾波電容器提供了廣闊的前景。

Figure 1. a,b) GI 電極的電化學制造示意圖。a) 在三電極體系中，Au 基板用作工作電極（WE，負極）和對電極（CE，正極），電位稱為飽和甘汞電極（SCE）。b) 溶劑置換過程的說明：rGO 水凝膠中的溶劑水被 EMImBF 4電解質代替以制造 GI 電極。c) 不同放大倍率的 rGO 片狀電極的 SEM 圖像。d) rGO 電極橫截面的 SEM 圖像。e) GO、rGO 和 rGO@GI 的 C 1s XPS。每種石墨烯材料的XPS光譜可分為五種碳鍵：C=C（284.8 eV）、C-C（285.5 eV）、C-O（286.6 eV）、C=O（287.8 eV）和O–C=O (289.0 eV)。

Figure 2. a-c) GI-EC 在不同掃描速率下的 CV 曲線。d) CV 測試中從 20 到 1000 V s^-1的放電電流密度與掃描速率的關系圖。e) GI-EC在不同電流密度下的GCD曲線??。f) 作為頻率函數的相位角圖。g) 奈奎斯特圖；插圖：高頻的擴展視圖。h) 面積電容與頻率的關系圖。插圖是 GI-EC 裝置和與 GI-EC 容量相當的商用 AEC 的照片。i) GI-EC的循環穩定性。并且通過GCD測量在20 mA cm ^-2下對GI-EC進行了10 ⁴個循環的測試。每 500 個 GCD 循環后進行電化學阻抗譜測量。

Figure 3. GI-EC 在不同溫度（50、100 和 150℃）下的性能。a) 作為頻率函數的相位角圖。b) 不同溫度下 GI-EC 在 120 Hz 時的相位角圖。c) 面積電容與頻率的關系圖。d) 不同溫度下 GI-EC 在 120 Hz 時的面積電容圖。e) 不同溫度下的奈奎斯特圖；插圖：高頻的擴展視圖。f) GI-EC 的E和電壓窗口與報告的 AC 線路濾波 EC 的比較。

Figure 4. GI-EC在不同溫度下的過濾性能。a-e) GI-EC 在室溫下的濾波性能： a) 輸入信號為 120 Hz 的交流信號。插圖為交流濾波電路示意圖：全橋整流器由四個二極管組成，GI-EC作為濾波電容，負載電阻（R）并聯；b) 輸入信號為 10 ⁴ Hz 的交流信號；c) 輸出信號在不同頻率下的平均電壓，插圖為輸出信號在不同頻率下的方差；d,e) 輸入信號 (120 Hz) 分別為方波和強噪聲波。f-i) GI-EC 在 150℃ 下的濾波性能：f,g) 輸入信號分別為 10 Hz 和 10⁴ Hz的交流信號，插圖是輸出信號在不同頻率下的方差；h,i) 輸入信號分別為 120 Hz 的三角波和強噪聲波。

Figure 5. GI-EC 的性能是串聯和并聯的。a) 兩個串聯和并聯的 GI-EC 單元的相位角與頻率的關系圖。b) 奈奎斯特圖；插圖：高頻的擴展視圖。c) 200 V s ^-1時的 CV 曲線。d) 20 mA cm ^-2電流下的GCD曲線??。e,f) 兩個串聯的 GI-EC 的濾波性能： e) 輸入信號為 120 Hz 的正弦交變波；f) 輸入信號為噪聲波，插圖為不同輸入信號輸出信號的方差。

相關研究工作由清華大學Huhu Cheng 和Liangti Qu課題組于2022年在線發表在《Small》上。原文： Graphene Ionogel Ultra-Fast Filter Supercapacitor with 4 V Workable Window and 150℃ Operable Temperature。

轉自《石墨烯研究》公眾號



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