可拉伸电极和准固态聚合物电解质的构筑及其在可拉伸超级电容器上的应用

来源 :华东理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bobo1116
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随着可穿戴和便携式电子设备的迅速发展,可拉伸的柔性储能器件已经引起越来越多的关注。在众多可拉伸储能器件中,可拉伸超级电容器(SSCs)由于其快速充放电特性、长循环寿命等优点逐渐成为研究与实际应用的热点。获得高性能可拉伸超级电容器的关键在于制备高比电容的可拉伸电极材料和高电导率的有机系可拉伸聚合物电解质材料。基于此,本论文开发出高吸液率和电导率的多孔聚丙烯酸酯橡胶(pACM)基有机准固态电解质,并构建了新型本征可拉伸的丙烯酸酯橡胶/多壁碳纳米管(ACM/MWCNTs)负载导电聚合物柔性电极材料,进而分别组装成有机非对称可拉伸超级电容器,对可拉伸电解质和电极材料以及可拉伸电容器的形貌结构与性能进行系统研究。具体研究工作如下:  (1)以具有优异拉伸性能的聚丙烯酸酯橡胶(ACM)为基体,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为成孔剂,三乙烯四胺(TETA)为交联剂制备多孔聚丙烯酸酯橡胶膜。当加入PVP含量为50wt%(相对于ACM和PVP总质量),并加入相对于ACM质量的6wt%的TETA为交联剂时,制备的pACM膜具有最高的吸液率为1291%,且断裂伸长率高达1482%。吸收电解液后制备的多孔聚丙烯酸酯橡胶/四乙基四氟硼酸铵-乙腈(pACM/Et4NBF4-AN)准固态电解质的电导率高达265mS cm-1,同时保持良好的拉伸性和回弹性,且具有宽的电化学稳定窗口(0~2.9V)。通过电化学聚合方法制备了碳纳米管纸负载聚吡咯(CNT@PPy)柔性正极和碳纳米管纸负载聚(1,5-二氨基蒽醌)(CNT@PDAA)柔性负极,与上述准固态电解质通过“预拉伸-粘附-回缩-溶胀”的方法组装成可拉伸柔性超级电容器,相比于没有孔结构的ACM/Et4NBF4-AN准固态电解质组装的电容器呈现出更优异的电化学性能,电流密度从1mA cm-2增大到50mA cm-2比电容保持率高达83.1%,且该电容器能量密度在0026W cm-3下高达3.04mWh cm-3,在10%拉伸状态下其性能基本保持不变。  (2)以ACM为基体赋予电极拉伸性,引入多壁碳纳米管(MWCNTs)提供导电网络,以二乙烯三胺(DETA)为交联剂,通过化学交联结合电化学聚合制备新型本征可拉伸的ACM/MWCNTs薄膜负载聚苯胺(ACM/MWCNTs@PANI)和聚(1,5-二氨基蒽醌)(ACM/MWCNTs@PDAA)电极。加入35wt%MWCNTs制备的ACM/MWCNTs导电复合膜具有高的电导率(9.6S cm-1),优异的拉伸性(155%)和良好的回弹性(50%应变下循环拉伸500次后塑性形变为11.7%)。ACM/MWCNTs@PDAA负极和ACM/MWCNTs@PANI正极均具有高比电容,在1mA cm-2下分别为20.2和17.2F cm-3。为了进一步验证电极的优异性能,使用上述本征型可拉伸正负极和聚丙烯酸酯橡胶/四乙基四氟硼酸铵-乙腈(ACM/Et4NBF4-AN)准固态电解质以更为简便的“直接粘贴”工艺组装有机非对称可拉伸超级电容器(oASSC),其呈现出色的能量密度(0.021W cm-3下为2.14mWh cm-3),出色的倍率性能(30mA cm-2下比电容保持率为86.0%),在正常和50%拉伸状态下均拥有优异的循环稳定性,为构建高性能的可拉伸电容器提供新思路。
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