化学活化生物质制备高性能超级电容器电极材料及其柔性固态电容器的组装

来源 :陕西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:die0410
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超级电容器作为功率密度大、循环寿命长的新型储能器件受到研究人员的普遍关注,并在电子、新能源等高新领域实现了广泛的应用。传统超级电容器通常使用刚性外包装,以防液态电解液的泄露。为适应柔性可穿戴式及便携式功能化电子器件的快速发展,近年来柔性固态电容器受到越来越广泛的关注。本论文从两方面来研究高性能优异的柔性固态电容器:一方面从电极材料入手,通过化学活化生物质法制备了高性能电极材料,并以商业碳布为基底,组装成柔性固态电容器;另一方面,从基底入手,利用电化学活化及电聚合方法对柔性碳布进行处理,以改善碳布的亲水性、比表面积、电化学容量。以此为有柔性基底,与电极材料之间发挥协同作用,提升柔性固态电容器的性能。在第三章中,我们以生物质玉米秸秆为碳源,通过碳化及化学活化的方法制备了高比表面积的多孔二维碳纳米片材料。碳纳米片厚度约为100 nm,横纵比为500-1000。高表面积的二维结构不仅提高了电荷储存能力,而且二维片层的开放性孔道,大大缩短了离子传输路径,使电极材料即使在大电流密度下也保持良好的倍率性。所制备的样品(aCS-5)在60Ag-1的大电流密度下,其电容保持率高达82%。进一步以aCS-5为对称电极,比较了电容器在KOH和Na2SO4两种电解液中的电容性能,阐述了电容性能与电解质离子导电率、离子尺寸等之间的联系。最后,以碳布作为柔性基底,组装了aCS-5柔性固态电容器。测试结果表明该固态电容器在正常、弯曲、扭转等形变下的电容性能依然保持稳定。商业碳布具有织构均匀、导电性好、质量轻等优点,是目前应用广泛的柔性基底,但是其本身比表面面积小、表面浸润性能差。为此,我们利用电化学氧化及电化学还原的方法,调控碳布表面官能团,在增加表面积的同时,提高了电极的电化学活性。三电极测试结果表明,在2mA cm-2电流密度下,活化后碳布的电容值为568 mF cm-2。由于电化学活化后剩余的含氧官能团影响碳布的导电性,于是我们在其表面聚合一层导电聚合物。经过电聚合PEDOT,碳布导电性提高,同时与电解液的接触阻力及电荷传输阻力明显降低。在三电极测试下,电容值提高到688 mF cm-2。同时,材料展现出优异的倍率性能及稳定性,在两电极测试下,循环伏安曲线在3.0 V高扫描速度下依旧保持矩形,循环10000圈后,其电容保持率为99%。将经过一系列处理后的碳布与aCS-5再次复合,所组装的柔性固态电容器电化学性能优异,电容值高达708 mF cm-2。将两个固态电容器串联,可以将电压窗口扩宽到2.0 V,并能同时点亮5个LED灯泡,证明其在储能方面的实际应用性。
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