聚合物基多孔碳和柔性电极的制备及其电化学性能研究

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日益增长的能源需求和严重的环境问题极大地推动了人们对可持续的能源转换和存储装置的研究,其中作为代表的电池和超级电容器受到了人们极大地关注。超级电容器具有充放电速率快、功率密度高、循环寿命长等诸多优点,而电极材料作为其重要组成部分对其性能有着至关重要的作用。在各种电极材料中,碳材料因具有成本低、容易制备和电导率高等优点而得到了广泛应用。但是碳材料相对较低的比电容也限制了其更加广泛的应用,因此要想办法提高它的比电容。另外,随着柔性、可穿戴和可折叠电子设备的发展,柔性储能器件受到了越来越多的关注,其中以纤维作为基底的线型超级电容器引起了研究者极大地兴趣,但是昂贵的制造成本限制了其应用,因此应致力于研究一种低成本的纤维状超级电容器。本文的主要研究内容和结果如下:(1)通过碳化-活化壳聚糖聚乙二醇共混物的方法制备了氮掺杂多孔碳材料,并探究了壳聚糖和聚乙二醇的比例对所得材料性能的影响。研究结果表明,壳聚糖和聚乙二醇的比例为3:2时,所得材料具有同时含有大孔、中孔和微孔的分级多孔结构、2269 m2 g-1的比表面积、3.22 at%的氮掺杂量和优化的孔结构。其在1M H2SO4和2 M KOH电解液中电流密度为1 A g-1时的比电容分别为356和271 F g-1。以该材料作为电极材料以1 M H2SO4和2 M KOH作为电解液组装的对称超级电容器具有优异的循环稳定性,在1 A g-1电流密度下循环10000次后容量保持率分别为94%和97%。(2)通过碳化-活化交联三聚氰胺/聚乙烯醇的方法制备了氮掺杂多孔碳材料,并探究了碳化温度对所得材料性能的影响。研究结果表明,碳化温度为700℃时,所得材料具有同时含有中孔和微孔的分级多孔结构和2110 m2 g-1的比表面积。其在1 M H2SO4和2 M KOH电解液中电流密度为0.5 A g-1时的比电容分别为364和261 F g-1。以该材料作为电极材料以1 M H2SO4和2 M KOH作为电解液组装的对称超级电容器在0.5 A g-1电流密度下循环10000次后容量保持率分别为90%和93%。(3)通过在聚酯纤维上先化学浴沉积硫化铜再电化学沉积聚苯胺的方法制备了聚苯胺/硫化铜/聚酯纤维柔性电极。研究结果表明,所制备的电极具有重量轻、柔性好、机械强度高、导电性好的特点。以此电极组装的对称超级电容器器件在0.1 mA cm-2的电流密度下比电容达到29 mF cm-2,以0.2 mA cm-2的电流密度充放电循环1000次之后容量保持率为93.1%。除此之外,器件在不同的弯曲状态下电容几乎保持不变,显示出很高的柔性。
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