柔性电极及其储能器件制备及性能研究

来源 :南京邮电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yedayong0007
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近年来,柔性可拉伸光电器件因其轻薄、便携、质轻、可弯曲、耐用性强和共形性好等优势,引起了广泛关注。作为电子设备的基础构件,储能设备对电子设备的启动和运行至关重要。而便捷式柔性超级电容器成为发展潜力巨大,应用前景良好的储能设备。但是推广柔性超级电容器(FSCs)的应用的瓶颈集中在两个方面,一方面,对新型电极活性材料的研究还处于初级阶段,缺乏提升活性材料比电容的改性研究;另一方面,目前FSCs的制造工艺多涉及激光刻蚀,高压压制和掩模法等高难度,高损耗过程,缺乏简便且经济有效的制备工艺,轻松实现低成本,可扩展生产。针对上述瓶颈问题,本论文致力于开发新型电极活性材料以及探索新型制备工艺,实现低成本大面积制备高性能柔性超级电容器。研究内容主要包括电极材料合成、活性材料配比、超级电容器制备、实验工艺优化、光电性能表征及器件应用。(1)通过喷墨印刷这种增材减耗的制造工艺,结合简单易行的电化学沉积方式和润洗辅助法制备了新型的基于Ag/MnO2复合材料的电极,并进一步组装成为综合性能良好的平面柔性超级电容器。建立了喷墨印刷制备柔性超级电容器的技术方案,选用一种柔性基底:聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),将纳米银颗粒均匀打印于该柔性基底上,并通过调节打印参数,提高银对基底的浸润性和成膜性。提出了复合电极制作思路,通过电化学沉积方式在银电极上获得高比电容材料MnO2,并通过控制电化学沉积时间和润洗辅助等巧妙技术,完成具有独特纳米纤维状网络结构的MnO2的形成,促进了电解质离子的输送,由此优化了基于Ag/MnO2的FSCs电化学性能(46.6 mF·cm-2)。FSCs在500.95 W·kg-1的功率密度下也表现出17.5 Wh·kg-1(23.37 mJ·cm-2)的高能量密度,并且在FSCs以180°高度弯曲1000次后,比电容仅略微降低,比电容保持率为原始值的86.8%,表现出优异的柔韧性。利用喷墨打印卓越的图案化能力,无需使用外部金属互连和繁琐的程序,可以直接且简单地完成FSCs的串并联。(2)设计合成3D纳米结构的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)有机凝胶电极,改善PEDOT:PSS与有机溶剂的不相容性所带来的不利影响,对有机凝胶的结构形态进行设计,通过注塑成型的方式设计出褶皱结构的导电有机凝胶网络,并进一步组装成为综合性能良好的弹性凝胶超级电容器。结合氧化还原赝电容和双电层原理储存电荷,大大提升电荷存储性能,并证明了介孔结构在电荷转移和离子交换方面的优越性。基于PEDOT:PSS有机凝胶电极的FSCs具有227 mF·cm-2的高面积比电容,并且凝胶FSCs在循环充放电3000次后,其电容保持率为77.19%,具有良好的循环稳定性。为提高导电聚合物的电化学性能提供了一条新途径,为开发高性能聚合物电极材料用于电化学储能提供了有益的启示。(3)开发了一种简易、低成本、环保的共聚合方法,结合PEDOT:PSS的导电性和聚丙烯酰胺(PAAm)的力学柔性,合成了一种基于PEDOT:PSS/PAA凝胶的高性能可拉伸性复合材料,并实现高性能器件透光性,力学柔性和电化学性能的良好平衡。建立了模具化制备电极技术,将共聚合预反应液注射入特制尺寸的玻璃模具中,利用一步共聚反应制备了尺寸可控且综合性能好的新型可拉伸半透明PEDOT:PSS/PAAm凝胶电极。通过调控丙烯酰胺(AAm)单体原料浓度和酸化后处理条件,提高了凝胶电极的电导率,由此优化了基于PEDOT:PSS/PAAm的FSCs电化学性能(206.8 mF·cm-2)。在FSCs拉伸至原长1.5倍状态下,比电容保持率为原始值的74.9%,表现出优异的拉伸性。利用特制的模具对凝胶的面积和厚度的有效控制,合成的PEDOT:PSS/PAAm凝胶还具有优异的透光性能(T:64%)。保证了基于PEDOT:PSS/PAAm凝胶的FSCs兼具透光性优,力学柔性好和电化学性能高三种性质。
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