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柔性超级电容器电极的制备与性能研究

杨闯  
【摘要】:超级电容器具有安全无污染、电容量大、功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽等特点,是一种新型的能量储存设备。超级电容器的性能主要由电极的性能来决定。现在主要的电极材料有碳材料(碳纳米管、石墨烯、碳气凝胶等)、金属氧化物(二氧化锰、二氧化钛、五氧化二钒等)以及导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)。本论文以生物质纤维素为原材料,采用化学机械相结合制备纤维素纳米纤维,然后以碳纳米管、石墨烯和聚苯胺作为超级电容器电极基体材料,通过不同的复合工艺制备复合电极材料,并通过FE-SEM、FTIR、RAMAN、XRD以及电化学工作站等表征测试技术,对复合电极的表面形貌及电化学性能进行分析和研究。具体研究内容如下:1、将纤维素原材料通过化学预处理和一步研磨法处理,制备得到了纤维素纳米纤维(CNFs),并对研磨液进行超声处理,真空泵抽滤得到CNFs薄膜,并对其进行测试表征。研究表明:经过超声处理后,纤维的直径分布更加均匀,多分布在10~30nm,纤维素纳米纤维薄膜的透光率可以达到87.5%,拉伸强度从68.03MPa(研磨液制备的薄膜)提升到了109MPa。2、将不同质量比的碳纳米管和纤维素纳米纤维超声混合,经真空抽滤制备得到两者的复合薄膜,干燥后得到纤维素纳米纤维/碳纳米管复合电极,并对纤维素纳米纤维/碳纳米管电极进行相关性能的测试和表征。研究表明:两者相互交叉缠绕,对两者的分散性都起到了增强作用,两者质量比为1:1时,两者的结合性能最佳,电化学测试发现,纤维素纳米纤维/碳纳米管电极在电流密度为0.2A/g时可以达到35.9 F/g的比电容量,具有极好的电容性能和循环稳定性,在1A/g的电流密度下进行充放电1000次,比电容量可以保留96.8%。3、以盐酸为掺杂酸,过硫酸铵用作引发剂,采用不同的反应时间原位聚合制备得到导电聚苯胺,将聚苯胺与纤维素纳米纤维采用层层自组装的方式制备得到纤维素纳米纤维/聚苯胺复合电极,并对纤维素纳米纤维/聚苯胺电极进行相关性能的测试和表征。研究表明:聚苯胺的聚合时间为6小时导电率最好,电化学测试表明,纤维素纳米纤维/聚苯胺电极具有较高的比电容量,在0.2A/g的电流密度下,比电容量可以达到254.7 F/g的比电容量,电荷转移的内阻偏大,比电容量在1A/g电流密度下充放电1000次后,仅仅保留了57.6%。4、首先将纤维素纳米纤维/碳纳米管复合膜浸泡在苯胺的酸溶液中,然后滴加过硫酸铵的酸溶液引发聚合,将聚苯胺聚合到纤维素纳米纤维/碳纳米管复合膜的表面及内部,制备得到柔性可折叠的纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺复合电极,并对纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺电极进行相关性能的测试和表征。研究表明:纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺电极既具有碳纳米管极好的循环稳定性,又具备聚苯胺优异的赝电容性质,使得纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺电极在0.2A/g的电流密度下,比电容量可以达到216.0F/g,在电流密度为1A/g的条件下充放电1000次,比电容保留率为81.7%,可以作为柔性可折叠超级电容器的电极材料。5、将纤维素纳米纤维和碳纳米管超声混合得到混合液,在混合液中原位聚合聚苯胺,将聚苯胺包覆在纤维素纳米纤维和碳纳米管的表面,然后采用冷冻干燥的方法得到纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺气凝胶,随后将气凝胶冷压便得到纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺气凝胶薄膜电极,对纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺气凝胶薄膜电极进行相关性能的测试和表征。研究表明:纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺气凝胶薄膜电极由于其固有的质轻多孔的特性,大大提高了电解液的扩散和吸收,使得电荷转移内阻很小,并且具有较高的比电容量,在0.2A/g的电流密度下可以达到791F/g,另外,纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺气凝胶薄膜电极的稳定性也很好,在4A/g的高电流密度下充放电3000次,比电容量保留初始比电容量的82%以上,是高容量超级电容器的理想电极材料。6、采用层层自组装的方法制备薄膜电极,在过程中将平面结构的石墨烯插层到复合材料中,制备得到纤维素纳米纤维/碳纳米管/石墨烯/聚苯胺复合电极材料,并对纤维素纳米纤维/碳纳米管/石墨烯/聚苯胺复合电极进行相关性能的测试和表征。研究表明:由于石墨烯的插层效果,使得复合电极材料的层结构较为疏松,减小了薄膜电极的内阻,由于石墨烯优异的稳定性,复合电极的循环稳定性得到大大的提高,循环1000次后比电容量依然保持在原始比电容量的94.3%以上,并且在0.2A/g的电流密度下可以达到623.1F/g的比电容量。


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