基于蚕丝织物电极材料的研制及其超级电容器的组装

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随着像曲面显示器、智能移动设备和植入式生物传感器等各种各样电子产品的快速发展,小型化、便携式、轻量型和环境友好的能源储存装置已经引起了广泛关注。超级电容器因为其大功率密度、快充放电速率和长循环寿命被视为最有希望的能量储存装置之一。织物天然柔软、多孔及具有优良的机械性能,成为组装超级电容器的良好的电极材料。本论文选取丝织物为基底,通过染色技术、高温碳化和负载聚吡咯PPy与聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)PEDOT:PSS的方法,制备了自支撑的高电容性能的织物电极材料,并将其组装成全固态超级电容器。本论文具体研究内容及结果如下:
  (1)由于染料分子含有氧、硫和氮等杂原子,这些杂原子可通过传统的染色工艺引入到织物的内部提升碳电极材料的电容性能。本论文利用两种不同的酸性染料对丝织物进行染色处理再经高温碳化,得到自支撑的碳化织物。结果表明,酸性染料染色的织物经碳化后,其织物中的杂原子含量从14.40%提升到20.01%,在扫速为2mV/s下,其质量比电容为255.95F/g,电压窗口可达1.4V。采用酸性媒介染料先染色后碳化,得到的碳化丝织物中的杂原子含量从13.81%提升到31.58%,其质量比电容高达305.02F/g。此外,两种碳化丝织物电极经过5000次充放电循环,其电容保持率均超过90%,说明所制得的电极具有良好的电化学循环稳定性。
  (2)由于碳化丝织物具有较高的导电性,本论文以碳化丝织物为聚合界面,采用电化学沉积的方法在其表面负载高质量的PPy制备聚吡咯/碳化丝织物复合电极。结果表明,当使用n(Py):n(TsOH)=1:2,沉积时间2300s的沉积工艺时,制备的PPy/CSF-2300复合电极具有较高的PPy负载量(16.02 mg/cm2)和较低的方阻(2.11±0.04Ω/sq)。该电极材料在电流密度为2mA/cm2下,其面积比电容高达4040mF/cm2,充放电1500次后仍具有88.6%的电容保持率。电极组装的固态对称超级电容器,其能量密度高达6.88mWh/cm3,储能性能优于相关的PPy基超级电容器。
  (3)以丝织物为基底,通过添加MWCNT和简单的滴涂PEDOT:PSS方法获得导电基材,在此基材上电沉积PPy制备高性能复合电极。结果表明,滴涂工艺条件10次制得的PEDOT:PSS@MWCNT/SF电极的方阻为6.86±0.75Ω/sq,具有优良的导电性。经过PPy负载制得的PPy/PEDOT:PSS@MWCNT/SF复合电极方阻为1.57±0.11Ω/sq,在电流密度2mA/cm2下,其面积比电容高达5296mF/cm2,且其充放电5000次后保容率仍有94.3%,表现了优异的电化学循环稳定性。由此电极组装的固态对称超级电容器的能量密度达1.87mWh/cm3。
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