论文部分内容阅读
超级电容器是一种新型电化学储能装置,因其功率密度高、充放电时间短、循环寿命长以及使用温度范围宽等优势,已成为储能领域的研究热点。便携式、可穿戴电子设备的快速发展对能量供给系统提出了更高的要求。全固态超级电容器可集成到柔性电子设备中用于能量供给,同时具有轻质、柔韧、安全等特点,而发展低成本、高性能柔性电极材料合成方法对柔性储能器件研究具有重要意义。本论文从电极材料出发,利用碳化织物纤维制备了多孔织构碳布,研究了其电化学性能以及用作柔性碳基超级电容器的电容性能;此外,以PET为柔性基底,通过微型叉指结构的构建与CoS赝电容材料的电化学沉积,提高微电极的比电容与倍率性能。主要工作进展如下:以纯棉织布为起始原料,通过碳化与KOH化学活化,成功制得了高电导率的多孔碳纤维织物。系统探究了 KOH化学活化剂的用量对碳纤维结构和性能的影响。结果表明,KOH化学活化可在碳纤维壁上产生丰富的微/介孔,显著增大碳纤维与电解液的接触面积,促进电解质离子的快速传输。该多孔碳纤维的比表面积可达1075 m2/g,相应的孔体积为0.59 cm3/g,同时能够保持较高的电导率(1506 S/m)。三电极测试结果表明,碳纤维布的面积比电容高达1026 mF/cm2。当电流密度从5mA/cm2增大到100mA/cm2时,电容保持率为85%。远优于商业碳布14mF/cm2的面积电容和相同条件下64%的电容保持率。组装的对称型超级电容器在KOH电解液中经循环充放电10000次后,电容损失率仅为3%,可满足长时间稳定供能的要求。以此织构碳纤维布为柔性电极,PVA/KOH为凝胶电解质,组装了全固态对称电容器。在功率密度为459.8 μW/cm2时,其能量密度为17.9 μWh/cm2,同时表现出较好的柔韧性。以柔性PET为基底,利用光刻与电子束蒸镀技术获得叉指型微电极阵列,再通过电化学沉积技术在叉指型微电极上生长了 rGO/CoS。表征结果显示,rGO为轻微褶皱的二维平面结构,不但有助于电子的快速传递,而且为CoS纳米片阵列的进一步生长提供良好的成核位点。所获得的rGO/CoS复合电极材料在5 V/s的高扫速下,仍可进行法拉第氧化还原反应,显示出优越的赝电容特性。在0.1mA/cm2的电流密度下,面积比电容达到22mF/cm2。电流密度增大到2.0mA/cm2时,电容保持率为74%。上述实验结果表明,rGO/CoS复合电极材料能够充分利用CoS高的赝电容特性和rGO的快速电荷传递能力,为进一步组装微型超级电容器提供了可能。