石墨烯/聚苯胺复合柔性纤维超级电容器的构建及其电化学性能研究

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新能源器件的发展对于开发利用清洁绿色能源至关重要。超级电容器作为一种新能源器件,因其具有高功率密度、长循环寿命、快速充放电、低成本等优点,受到了普遍关注。近年来,人们对可穿戴、便携式电子设备的需求促使储能器件朝着柔性化、轻薄化方向发展,柔性超级电容器也随之成为人们的关注焦点,而活性电极材料的柔性化是实现高性能柔性超级电容器的关键。具有高导电性的碳材料和高赝电容的导电聚合物是超级电容器常用的两类活性电极材料,本文旨在利用具有大比表面积、优异导电性的石墨烯以及具有高理论比电容的聚苯胺作为电极材料活性成分,实现石墨烯/聚苯胺复合柔性纤维的可控制备,通过构建基于该复合纤维电极的柔性超级电容器,系统研究纤维超级电容器的电化学性能,建立纤维电极材料与纤维型超级电容器之间的关联,通过优化纤维电极的微观结构和器件组装,最终获得高性能的石墨烯/聚苯胺柔性纤维超级电容器。主要内容如下:1)基于湿法纺丝技术,以含有氧化石墨烯和过硫酸铵的分散液作为纺丝原液形成复合纤维,浸入含有苯胺的盐酸溶液中制备了氧化石墨烯/聚苯胺复合柔性纤维,通过进一步化学还原处理,实现了聚苯胺在纤维上的原位负载,获得了石墨烯/聚苯胺复合柔性纤维;对该复合纤维的微观结构进行了系统表征,同时对所构建的纤维型超级电容器进行电化学测试,通过优化复合纤维制备过程的关键参数,获得了电化学性能优良的柔性纤维超级电容器,电化学测试结果显示该纤维超级电容器的体积比电容可达156.5 F cm-3,器件能量密度达到5.43 m Wh cm-3。2)利用快速混合法制备了聚苯胺纳米纤维,将其分散于氧化石墨烯液晶溶液中获得纺丝原液,通过湿法纺丝技术和化学还原处理实现了聚苯胺在石墨烯纤维上的非原位制备,通过采用DMF/H2O共溶剂,解决了聚苯胺纳米材料的团聚问题,实现了聚苯胺在石墨烯纤维中的均相分散,获得均相复合的石墨烯/聚苯胺复合柔性纤维,表征结果显示聚苯胺在复合纤维上呈现出针状纳米结构,并对所构建的柔性纤维超级电容器进行了系统电化学测试;通过进一步优化聚苯胺纳米纤维的负载量,发现当氧化石墨烯与聚苯胺纳米纤维的混合比例为50:1时,所得石墨烯/聚苯胺复合柔性纤维的体积比电容可达330 F cm-3,器件能量密度达7.33 m Wh cm-3,而基于该复合纤维和纯石墨烯纤维构建的非对称超级电容器器件展现出高的能量密度(25.22 mWh cm-3)。
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