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随着便携式、可穿戴电子设备在折叠智能手机、军用设备和医疗设备中的快速发展，人们对安全、质轻和可穿戴储能设备的需求日益增长。柔性超级电容器，因其高功率密度、长循环寿命的特点，而成为具有应用前景的储能装备。棉纤维织物廉价易得、机械性能好，是柔性电极材料的理想基底。本论文采用染色和阻燃整理的技术将P、N、S和O等杂原子引入棉纤维织物中，经过高温碳化和电化学沉积的方法制备柔性电极材料，并将其组装成柔性超级电容器，对其电化学性能进行系统研究，为柔性储能器件的开发提供实验数据。
本论文主要研究内容及结果如下所示：
（1）采用硫化染料染色技术实现杂原子掺杂碳电极的制备。硫化染料中含有丰富的S、O和N等元素，这几种杂原子的掺杂可以较好地提升碳材料的电容性能。通过染色的方法，可以将这些杂原子均匀地引入到织物内部。本论文选用深海硫化黑2BR上染棉织物，再经过碳化得到柔性碳电极材料。结果表明，与碳化原棉电极CCF相比，经过优化染色条件处理的CCFS-10%碳材料（染料浓度为10%o.w.f）的杂原子含量由8.5%提升至10.06%。在电容性能方面，CCFS-10%电极与CCF电极相比也有明显地提升，CCFS-10%电极在2mA cm-2条件下的比电容可达1467.9mF cm-2，同时该材料还具有良好的循环稳定性和倍率性能。
（2）利用阻燃整理技术实现了杂原子掺杂碳化棉织物电极的制备。以磷系阻燃剂为杂原子源，经过阻燃整理将阻燃剂中的P、S和N等杂原子均匀地引入到棉纤维织物内部，再高温碳化得到电容性能良好的碳电极材料。通过探究工艺获得电化学性能优良的CFRCF-200电极材料（阻燃剂浓度为200g L-1），结果表明，该电极中的P、S和N元素含量与CCF相比均有明显提升。CFRCF-200电极具有较大的比表面积和较窄的孔径分布，其微孔比表面积为541.2m2g-1，微孔孔径为0.76nm。电化学测试发现，CFRCF-200电极的电容性能优良，由该材料组装的超级电容器的能量密度可达5.3mWh cm-3，且经过3000个循环测试后的电容仍为初始值的92.1%。
（3）采用传统的染色和阻燃整理技术与高温碳化相结合的方法制备出杂原子掺杂CCF-SP碳电极材料。基于前期实验基础，采用先硫化染料染色，再经过阻燃处理，最后高温热降解棉织物的方法，进一步提升碳化棉纤维中的杂原子含量。研究结果表明，CCF-SP电极材料的杂原子含量为11.01%，比表面积为643.7m2g-1，与CCFS-10%和CFRCF-200相比都有不同程度的提升。CCF-SP电极材料的面积比电容高达3079.8mF cm-2，由CCF-SP组装的超级电容器的功率密度可达37.5mW cm-3。
（4）为进一步提升电容性能，以碳化棉织物为柔性基底，采用电沉积的方法原位负载PPy制备复合电极材料。通过碳材料的双电层电容和聚吡咯（PPy）的赝电容结合，进一步提升碳电极材料的电容性能。优化的PPy/CCF-1∶2电极材料（TsOH/Py反应摩尔比为2，电沉积时间为700s）的面积比电容高达3596.2mF cm-2，且经过4000个循环测试后的电容仍为初始值的96.5%。由此电极组装的柔性超级电容器的功率密度高达84.4mW cm-3，同时在不同的弯曲情况下，器件电容性能未见明显降低。此外，该器件可以便捷地缝制到衣服里为电子设备供电。
本论文主要研究内容及结果如下所示：
（1）采用硫化染料染色技术实现杂原子掺杂碳电极的制备。硫化染料中含有丰富的S、O和N等元素，这几种杂原子的掺杂可以较好地提升碳材料的电容性能。通过染色的方法，可以将这些杂原子均匀地引入到织物内部。本论文选用深海硫化黑2BR上染棉织物，再经过碳化得到柔性碳电极材料。结果表明，与碳化原棉电极CCF相比，经过优化染色条件处理的CCFS-10%碳材料（染料浓度为10%o.w.f）的杂原子含量由8.5%提升至10.06%。在电容性能方面，CCFS-10%电极与CCF电极相比也有明显地提升，CCFS-10%电极在2mA cm-2条件下的比电容可达1467.9mF cm-2，同时该材料还具有良好的循环稳定性和倍率性能。
（2）利用阻燃整理技术实现了杂原子掺杂碳化棉织物电极的制备。以磷系阻燃剂为杂原子源，经过阻燃整理将阻燃剂中的P、S和N等杂原子均匀地引入到棉纤维织物内部，再高温碳化得到电容性能良好的碳电极材料。通过探究工艺获得电化学性能优良的CFRCF-200电极材料（阻燃剂浓度为200g L-1），结果表明，该电极中的P、S和N元素含量与CCF相比均有明显提升。CFRCF-200电极具有较大的比表面积和较窄的孔径分布，其微孔比表面积为541.2m2g-1，微孔孔径为0.76nm。电化学测试发现，CFRCF-200电极的电容性能优良，由该材料组装的超级电容器的能量密度可达5.3mWh cm-3，且经过3000个循环测试后的电容仍为初始值的92.1%。
（3）采用传统的染色和阻燃整理技术与高温碳化相结合的方法制备出杂原子掺杂CCF-SP碳电极材料。基于前期实验基础，采用先硫化染料染色，再经过阻燃处理，最后高温热降解棉织物的方法，进一步提升碳化棉纤维中的杂原子含量。研究结果表明，CCF-SP电极材料的杂原子含量为11.01%，比表面积为643.7m2g-1，与CCFS-10%和CFRCF-200相比都有不同程度的提升。CCF-SP电极材料的面积比电容高达3079.8mF cm-2，由CCF-SP组装的超级电容器的功率密度可达37.5mW cm-3。
（4）为进一步提升电容性能，以碳化棉织物为柔性基底，采用电沉积的方法原位负载PPy制备复合电极材料。通过碳材料的双电层电容和聚吡咯（PPy）的赝电容结合，进一步提升碳电极材料的电容性能。优化的PPy/CCF-1∶2电极材料（TsOH/Py反应摩尔比为2，电沉积时间为700s）的面积比电容高达3596.2mF cm-2，且经过4000个循环测试后的电容仍为初始值的96.5%。由此电极组装的柔性超级电容器的功率密度高达84.4mW cm-3，同时在不同的弯曲情况下，器件电容性能未见明显降低。此外，该器件可以便捷地缝制到衣服里为电子设备供电。