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可拉伸、自修复的柔性超级电容器的构筑与性能研究

陈传瑞  
【摘要】:随着可穿戴和便携式电子设备的快速发展,作为电力能源的柔性超级电容器的研究显得格外重要。在可穿戴和便携式电子设备中,除了需要高的比电容外,延展性和自修复性也是提高超级电容器实用性和可靠性的关键。对于可拉伸超级电容器,在弯曲变形或可拉伸变形时,自修复能力对于恢复其机械完整性、电导率和电化学性能尤为重要。然而,将多功能集成到一个设备中仍然具有很大的挑战性。面对这些挑战,水凝胶可以用来作为电解质和电极材料,其具备互联网络结构,高亲水性,多功能性和易加工等优秀的特性,在制备可拉伸和可自修复的超级电容器有着很大的优势。基于此,本文设计了一种巧妙的制备方法并成功的构建出高韧性,高导电性的金纳米颗粒/碳纳米管/聚丙烯酰胺/聚吡咯纳米复合水凝胶(GCP@PPy)以及组装一种可拉伸、自修复的柔性超级电容器。具体研究如下:1、本工作通过将聚吡咯纳米粒子生长到GCP水凝胶网络框架中,制备了一种具有分层蜂窝网络结构的高导电性和多响应性的自愈性GCP@Ppy水凝胶。该水凝胶通过金纳米颗粒来进行化学交联,因此具有优秀的拉伸性能,伸长率为2380%,后基于金-硫配位键的动态相互作用,可以在近红外光以及电流的刺激下,来使聚合物链重新组合,从而达到自愈合的效果,最佳愈合效率达到94%。2、在本文中,将多功能GCP@Ppy水凝胶电极材料与GP水凝胶(不含碳纳米管)电解质夹在一起,通过喷涂方法与近红外激光辐射相结合,然后在电极材料表面化学焊接一层银纳米线薄膜作为集流体,组装成可拉伸、实时自修复的全凝胶状态超级电容器装置。通过利用内在的拉伸性和电极、电解质的可自愈合性以及金属-巯基配位键而构建出一体性结构,本文所组装出的器件表现出高电容稳定性,在800%的超高器件级应变下仍有89.5%的初始电容值。并在近红外光条件下,10个愈合周期后仍保持优秀的电容性能。而且在电实时自愈合过程中,仍恢复了92%的比电容。这些优点使其成为多功能超级电容器中的佼佼者,在柔性电子器件领域具有广阔的应用前景。


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