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《北京化工大学》 2010年
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超级电容器用聚噻吩/聚苯胺/活性炭复合电极材料的研究

高峰阁  
【摘要】: 超级电容器又叫双电层电容器,是一种环境友好型储能元件,具有容量高、能量密度大、工作温度范围广、可快速充放电且循环寿命长、无污染零排放等优点。目前,常用的超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物、导电聚合物及其各种复合材料。在导电高分子材料中,聚噻吩是一种重要的结构型导电高分子材料,由于其优良的导电性能和稳定性而得到广泛研究。本文采用原位聚合的方法在活性炭表面引发噻吩聚合,从而制备出聚噻吩/活性炭复合材料作为超级电容器电极材料;进一步采用原位聚合的方法制备出聚噻吩/聚苯胺/活性炭复合材料作为超级电容器电极材料。主要工作如下: (1)采用原位聚合的方法在活性炭表面引发噻吩聚合,制备出不同配比的聚噻吩/活性炭复合电极材料,考察了各组分配比对复合材料结构及电性能的影响。分别采用红外光谱表征了复合材料的分子结构;用扫描电子显微镜观察了其表面微观形貌;采用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法评价了材料电性能。电镜扫描结果表明,复合材料分布均匀,呈蓬松的网状结构,存在较大的空隙。红外扫描测试结果表明,纯的聚噻吩和聚噻吩/活性炭复合材料都出现了明显的红外吸收特征峰;当原料配比活性炭与噻吩的摩尔比为10:1时复合制备出的复合材料在790 cm-1和1627 cm-1处的红外吸收强都达到最高,这是因为活性炭的表面吸附作用影响了噻吩在聚合过程中共轭程度,噻吩环以α-α形式结合的程度最高,聚噻吩具有较好的结晶性能和共轭程度,其导电性能最好。电性能测试结果表明,在电流密度为100mA/g恒流充放电下,纯聚噻吩的比电容为144.6F/g,而当原料配比活性炭与噻吩的摩尔比为10:1时复合制备出的复合材料的比电容高达401.7F/g;同时复合材料的大电流充放电性能显著提高,在充放电电流密度由100mA/g增加到900mA/g时,纯聚噻吩的比容量由144.6F/g降低到28.6F/g,保留率仅为19.8%,而复合材料的比容量由401.7F/g降低到267.8F/g,保留率达到了66.7%。 (2)采用原位聚合的方法在活性炭表面先后引发苯胺,噻吩聚合,从而制备出聚苯胺/活性炭复合材料和聚噻吩/聚苯胺/活性炭复合材作为超级电容器电极材料。采用红外光谱表征分子结构;扫描电子显微镜观察了其表面微观形貌;采用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法评价了材料电性能。电镜扫描结果表明,复合材料PTH/PANI/AC呈更蓬松的纤维状结构,有更大的孔洞存在,结构规整;同时红外表征结果表明在790cm-1和1632cm-1处的吸收峰强度最高,复合材料PTH/PANI/AC中噻吩环以Q-Q形式结合的程度最高,共轭程度高,从而使复合材料表现出良好的电容性能;电性能测试结果表明,在电流密度为100mA/g恒流充放电下,聚噻吩/聚苯胺/活性炭复合材料的比容量高达597.4F/g,比聚苯胺/活性炭复合材料(532.1F/g)和聚噻吩/活性炭复合材料(401.7 F/g)都有所提高;随着充放电电流密度由100mA/g增加到900mA/g,聚噻吩/聚苯胺/活性炭复合材料比容量由597.4F/g降低到345.0F/g,保留率为57.8%,表现出较好的大电流充放电性能。 (3)在两电极体系下,采用恒流充放电和交流阻抗两种方法评价了复合电极材料的恒流充放电稳定性。在电流密度为400mA/g恒流充放电条件下,3000次恒流充放电后,聚苯胺/活性炭复合电极材料比容量由220.0F/g降低到98.0F/g,比容量保持率仅为44.5%;聚噻吩/活性炭复合电极材料比容量由320.0F/g降低到285.0F/g,比容量保持率为89.1%,表现出好的恒流充放电稳定性;而聚噻吩/聚苯胺/活性炭复合电极材料比容量由366.0F/g降低到293.4F/g,比容量保留率达到80.2%,与聚苯胺/活性炭、聚噻吩/活性炭相比,聚噻吩/聚苯胺/活性炭复合材料不仅表现出高的比容量,也表现出了良好的恒流充放电稳定性。
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