【摘 要】
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近年来,柔性储能器件迅猛发展。其中,在纺织基柔性储能器件研究中,首先需解决活性材料与衬底的结合问题,因此较高的材料-纤维结合稳定性对于柔性电极的应用尤为重要。针对该问题,目前主要通过物理涂覆法或化学沉积法实现材料在织物表面的负载。然而,物理涂覆法生产耗时、材料-纤维结合相对较弱且分布不均匀,大大降低器件的电化学性能和使用寿命。与物理涂层法相比,化学沉积法虽然解决了材料-纤维素纤维界面结合较弱的问题
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近年来,柔性储能器件迅猛发展。其中,在纺织基柔性储能器件研究中,首先需解决活性材料与衬底的结合问题,因此较高的材料-纤维结合稳定性对于柔性电极的应用尤为重要。针对该问题,目前主要通过物理涂覆法或化学沉积法实现材料在织物表面的负载。然而,物理涂覆法生产耗时、材料-纤维结合相对较弱且分布不均匀,大大降低器件的电化学性能和使用寿命。与物理涂层法相比,化学沉积法虽然解决了材料-纤维素纤维界面结合较弱的问题,但电化学循环稳定性较低。因此,寻求提高织物-材料稳定性的方法对于其进一步实际应用具有重要意义。导电聚合物(CP)由于其具有高电导率以及与纤维素纤维界面相容性好等优点,目前被广泛用作导电层和活性材料。目前,研究者们主要通过传统的液相聚合法制备导电储能织物。然而,该方法制备的CP层为纳米颗粒堆积状结构,这将导致材料和织物间结合不稳定和负载不均匀。而调节CP的形态可以解决结构稳定性问题。二维(2D)CP具有高柔韧性和高比表面积,可以稳定牢固地包裹在纤维素纤维表面。目前,2D CP主要是通过电化学沉积法来实现。然而,该方法制备的2D CP一般为垂直生长结构,在弯曲过程中结构稳定性较低。因此,目前还缺乏有效可行的方法来规模化生产性能稳定的纤维素基CP织物。基于以上问题讨论,本论文采用一种盐模板辅助气相聚合方法在织物上稳定包裹2D CP,构筑高稳定纤维基超级电容器。一方面,该法是利用界面方向提供的生长力,模板均匀地插入到纤维素纤维表面,材料沿着模板界面生长,最终2D CP将沿纤维素纤维界面纵向均匀包裹,使高强度柔性储能电极的连续制备成为可能。另一方面,二维形貌的PPY与棉纤维可以通过更多氢键结合在一起,因此更加牢固地包覆在纤维素纤维表面,极大地提高材料与纤维的结合稳定性,并提供良好的储能性能。具体研究内容如下:1.利用CuCl2作为盐模板,通过盐模板辅助气相聚合方法,在棉纤维表面负载2D PPY导电层。首先通过对材料进行微观表征,观察所制备的2D导电层在纤维表面负载情况。其次对材料进行化学结构组成和结构分析,验证材料的结构特性。最终,通过相关电化学性能测试验证这种2D PPY包覆层对于其电化学稳定性的影响。结果表明,该方法制备的电极表现出出色的循环稳定性(12000次循环后容量保持率为86.5%),所组装的单个柔性器件在180°弯曲角下的弯曲1000次循环后,电容保持率88.73%,并且在弯曲过程中仍然保持良好的CV形状。2.分别从形貌表征、电导率、机械稳定性等方面将该方法与传统液相聚合法进行比较,初步分析电极结构高稳定性的原因。然后,分析了该方法构筑牢固的界面结合机理,通过不同的实验对结合机理进行了验证。结果证明,2D CP在纤维上的包覆过程主要受盐模板浓度的影响,而与纤维素纤维的表面性质无关。其负载在织物上的模板均匀度越高,越容易实现纤维-材料界面的稳固结构。根据该分析结果,我们成功于不同纤维基底上进行了应用。本论文为高稳定性柔性电极的设计提供了一种新的思路,在未来生产中具有很大的实际应用潜力。
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