聚苯胺的微乳液法制备及其在超级电容器中的应用

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超级电容器是一种新型的储能元件,其性能介于普通电容器和化学电源之间。超级电容器的电极材料决定了其性能,常用的电极材料主要有碳材料、金属氧化物及导电聚合物等。在众多的导电聚合物中,聚苯胺因其优异的性能而得到了广泛的关注。本论文分别用乳液法及微乳液法合成了纳米聚苯胺,制备了聚苯胺/活性炭电极,并对其电化学性能进行研究。文中利用扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)对材料的形貌,微观结构进行了表征,并用循环伏安法(CV),恒流充放电法和交流阻抗法(EIS)全面分析了电极的电容性能。全文主要内容概况如下:(1)活性炭电极的制备及其电化学性能测试在H2SO4体系中对制备的活性炭电极进行电化学性能测试。SEM表明纳米级的炭黑均匀的分散在活性炭周围,形成导电网络。循环伏安、恒流充放电及交流阻抗测试表明活性炭电极具有双电层电容的特性,表现出了较好的可逆性;在电流密度为5mA·cm-2时,电极的比容为171.2F·g-1;1000次循环后,比容为首次放电容量的95%。组装的对称型超级电容器在2mA·cm-2的电流密度下电位窗口为[0,1.0V]时能量密度及功率密度分别为8.6Wh·kg-1及144.9W·kg-1。这表明其电容性能仍需要进一步提高。(2)聚苯胺的微乳液法制备及电化学性能测试以十二烷基苯磺酸钠为乳化剂、盐酸为掺杂剂、正丁醇为助乳化剂通过微乳液法合成了纳米聚苯胺,并制备了聚苯胺/活性炭电极,在H2SO4体系中对其进行电化学性能测试。SEM发现合成的聚苯胺团聚较为严重,TEM发现聚苯胺为纳米中空球形,粒径在3040nm之间。恒流充放电测试表明电压上限为1.0V时完全可以进行充放电,且电压上限提高后电极的比容也大大提高。当对聚苯胺进行球磨处理后,聚苯胺/活性炭电极的的电化学性能得到了提高。与活性炭电极比较发现,聚苯胺的加入显著提高了电极的电化学性能。在5mA·cm-2的电流密度下,其比容为610.3F·g-1,充放电1000次后,比容降为原来的71%。组装的非对称型超级电容器在2mA·cm-2的电流密度下电位窗口为[0,1.0V]时,其能量密度及功率密度分别为25.0Wh·kg-1及204.1W·kg-1。由此可见,电极的性能得到了提高。(3)聚苯胺的乳液法及微乳液法制备及电化学性能测试分别以十二烷基硫酸钠为乳化剂、盐酸为掺杂剂用乳液法和以正丁醇为助乳化剂的微乳液法合成了纳米聚苯胺,并在H2SO4体系中对制备的聚苯胺/活性炭电极进行了电化学性能测试。TEM发现用微乳液法制备的聚苯胺粒径更小且分布更均匀。循环伏安、恒流充放电及交流阻抗测试表明用微乳液法制备的聚苯胺/活性炭电极的电化学性能更加优异。在5mA·cm-2的电流密度下,微乳液法制备的PANI/AC电极比容为584.4F·g-1。首次用作图法计算出聚苯胺的纳米形貌对总电容的贡献为50.7%,高于氧化还原的贡献值26.0%,说明聚苯胺的纳米形貌能显著提高电极的比容。充放电300次后,比容衰减为首次充放电比容的73%,随后衰减变慢,1000次后比容与300次后的相比仅衰减7%,聚苯胺的纳米形貌在此发挥了重要作用。组装的非对称型超级电容器在2mA·cm-2的电流密度下其能量密度和功率密度分别为29.0Wh·kg-1及243.4W·kg-1,性能要优于对称型超级电容器。
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