高性能织物基柔性超级电容器的构建及性能研究

• 作 者: 程倩
• 机 构: 东华大学
• 出 处: 东华大学
• 发表日期: 2020年期
• 关键词: 超级电容器

随着柔性、可折叠、可拉伸电子产品的发展，人们对储能器件的要求越来越高。超级电容器具有绿色环保、充放电速率快、使用范围广等优点，已经成为了研究热点。构造柔性超级电容器的关键挑战是制备高性能的柔性电极。在本论文中分别以PET织物、碳布以及碳化PAN基碳纤维膜作为柔性基底成功制备了具有良好电化学性能的电极材料，并应用于超级电容器中，主要研究工作如下：
　　（1）以PET织物作为基材，采用传统的染色方法将具有电化学活性染料分子（分散红DR60、分散兰DB79）引入到PET织物上后，通过喷涂技术负载导电性物质—PEDOT:PSS，成功制备了性能优异的染料有机分子/PEDOT:PSS复合织物电极。讨论了复合织物电极的形貌和导电性，探究了染料分子结构、含量对电容性能的影响。结果表明，相对于未染色的织物电极，经染色的织物电极均表现出较高的电容。其中PEDOT:PSS@DR60@PET织物电极比电容提高了16.65％，PEDOT:PSS@DB79@PET织物电极比电容提高了47.27％。我们将其组装成对称超级电容器器件，该器件表现出良好的柔性和电化学稳定性。
　　（2）以碳布为柔性基底，采用电化学沉积及空气氧化处理制备Mn3O4@碳布电极，然后采用循环伏安法掺杂不同的碱金属阳离子（Na+、K+、Li+、Ni2+、Co2+、Cu2+）制备正极，通过研究掺杂金属阳离子的种类对电压窗口和电容的影响以制备具有高析氧过电位的正极；然后通过对碳布表面进行混酸电活化以及金属阳离子改性，探究阳离子改性对碳布作为负极的电压窗口和电容的影响以制备具有高析氢过电位的负极。结果表明，Na+和K+掺杂效果最好。Na+掺杂后正极电压窗口可达0～1.3V,比电容达到147.36F/g；K+掺杂后正极电压窗口可达0～1.2V,比电容达到167.63F/g。采用混酸电活化并在KCl溶液中电化学还原的碳布（K+@碳布）电压窗口可达-1.2～0V，比电容高达205.97F/g。最后将具有高析氧过电位的正极和具有高析氢过电位的负极组装成非对称水系超级电容器器件，该器件稳定的工作电压可达2.5V，并表现出较高的能量密度和功率密度以及优异的循环稳定性（经过500次循环后，电容保留率为87.99%）。
　　（3）通过静电纺丝以及碳化处理得到导电纳米PAN基碳纤维膜基材，再利用电沉积法在制备的PAN基碳纤维膜表面沉积MnO2，并探究了最佳MnO2制备工艺。然后采用混酸电活化PAN基碳纤维膜以制备高活性负极。研究结果表明，沉积电压0.9V,沉积时间500s时，所得电极拥有最高比电容。采用混酸电活化的PAN基碳纤维膜的电压窗口可达-1.2～0V，比电容高达107.27F/g。以MnO2@PAN基碳纤维膜为正极，活化PAN基碳纤维膜为负极组成的非对称超级电容器器件工作电压可达2.2V且具有优异的电容性能。