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可穿戴超级电容器中柔性电极材料的结构设计和性能研究

施敏杰  
【摘要】:随着科技的不断进步,可穿戴电子产品走进了人类的现实生活中。由于超级电容器的组装方式简单,而且可以进行多次稳定的快速充放电,人们也开始重视对可穿戴超级电容器的探索。目前,可穿戴超级电容器已经有了突飞猛进的发展,从二维的三明治结构到一维的线状结构,各式各样的可穿戴超级电容器涌现出来。但是目前可穿戴超级电容器的电化学性能并不令人满意,主要是使用的柔性电极比容量和循环稳定性不足。针对这个问题,我们通过结构设计,采用丰富的孔道结构提高柔性薄膜电极在离子液体电解液中的体积比电容;采用具有高导电性的金属碳化物作为柔性的纤维薄膜电极来提高比容量和循环稳定性。在通过改善柔性电极材料的性能提高了器件的电化学行为的同时,我们也对可穿戴超级电容器进行功能化的拓展。为了满足复杂的外界受力变化,我们设计了一种基于双覆纱线的高弹性线状电极,将其组装成的线型可穿戴超级电容器具有弹性可拉伸和尺寸可调节的功能。然后,我们采用形状记忆的线状电极进一步解决器件在多次使用时发生的不可逆塑性变形问题。最后,为了实现可持续能源的合理利用,我们将垂直生长纳米片阵列的碳纤维线作为线状电极,将其组装的线型可穿戴超级电容器可以通过获取风能进行反复的充电,相比于传统的充电方式,这可以真正的实现了对可再生能源的循环使用。主要取得的进展如下:(1)对于可穿戴超级电容器中柔性薄膜电极进行了研究:(1)采用简单的真空过滤法,制备了一种基于多孔氮化碳/碳纳米管的可自支撑柔性薄膜电极,由于丰富的孔道结构,柔性薄膜电极在离子液体电解液中具有出优越的电化学性能,最大可以提供25 F/cm~3的体积比电容,并且在平直和弯曲的状态下拥有良好的循环稳定性(5000次循环后,电容保持率都在80%以上)。(2)针对真空过滤法无法实现大规模应用的缺点,我们采用可工业化生产的静电纺丝法,合成了一种基于高导电金属碳化物纤维的可自支撑柔性薄膜电极,不仅具有高的比容量(430 F/g),此外,在5000次循环之后,这种柔性薄膜电极的电容保持率可以达到92.6%。(2)对于可穿戴超级电容器中柔性线状电极进行了功能化的设计:(1)制备了一种基于双覆纱线的高弹性线状电极,将其组装成的线型可穿戴超级电容器不仅具有优越的电化学性能,同时展现出在高应变(最大150%)拉伸下的稳定电化学行为,能够适应人体中身体的每个部分在复杂的动态环境中不断的运动,并且展现出良好的弹性可拉伸性和尺寸可调节的能力。(2)制备了一种基于镍钛合金的形状记忆线状电极,将其组装成的线型可穿戴超级电容器不仅具有超高的体积能量密度(8.9 mWh/cm~3),更重要的是,当器件发生不可逆的塑性变形时,只需在温和的温度下(~35℃),变形的器件可以自动恢复到初始预设的形状。而且在多次的形状变形-恢复过程后,器件的电化学性能并没有表现出明显的衰退,展现出有效的形状记忆可修复的能力。(3)将垂直生长纳米片阵列的碳纤维线作为线状电极,利用非对称的方法组装了具有高能量密度和极低电化学阻抗的线型超级电容器。通过获取风能可以对线型超级电容器进行反复的充电,并且器件展现出稳定的能量储存/供给的能力,为真正实现可再生能源的合理利用提供一个可行性的思路。


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