【摘 要】
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随着可穿戴智能设备和可持续能源的发展,迫切需要开发具有良好柔性、优异力学性能和高能量密度的可穿戴电化学电容器。芳纶是迄今综合性能最优的人工合成有机纤维,具有质轻、高强度、高模量、突出耐热和耐化学性能,在电子信息、航空航天、能源、交通等尖端工业领域占据重要地位。基于芳纶的可穿戴电化学电容器能够兼具良好的柔性和力学性能,克服现有的可穿戴电化学电容器存在的问题。然而,芳纶特殊的化学结构导致了表面活性低这
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随着可穿戴智能设备和可持续能源的发展,迫切需要开发具有良好柔性、优异力学性能和高能量密度的可穿戴电化学电容器。芳纶是迄今综合性能最优的人工合成有机纤维,具有质轻、高强度、高模量、突出耐热和耐化学性能,在电子信息、航空航天、能源、交通等尖端工业领域占据重要地位。基于芳纶的可穿戴电化学电容器能够兼具良好的柔性和力学性能,克服现有的可穿戴电化学电容器存在的问题。然而,芳纶特殊的化学结构导致了表面活性低这一制约其应用的瓶颈。因此,在不破坏原有优异性能的基础上,对芳纶进行表面改性以改善其表面活性,并通过杂化和复合技术制备高性能的芳纶电极是制备新型芳纶可穿戴电化学电容器需要解决的关键问题。本文的研究内容包括以下两部分:第一部分,使用强粘接性的聚多巴胺(PDA)和强反应活性的γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)改性芳纶纤维,使芳纶纤维表面带有活性基团,利用化学接枝作用将银和碳纳米管(CNT)包覆在芳纶纤维表面,随后在表面通过化学聚合形成聚吡咯(PPy)包覆层,系统地研究了包覆层的组成对纤维电容器结构和性能的影响,探究了复合包覆层对纤维电容器电容性能的协同效应。研究结果表明,银和CNT的加入都能提高芳纶纤维电极的电导率,从而提高芳纶纤维电容器的电容性能,且银和CNT对电容性能的提高并不是简单加和,两者之间存在明显的协同效应;在最优PPy含量下制备的芳纶纤维电容器(KF/Ag/CNT/PPy0.2)由于平衡了银、CNT和PPy之间的导电性能和电容性能,因而具有高能量密度;此外,KF/Ag/CNT/PPy0.2具有良好的循环性能,同时能够保持芳纶纤维良好的柔性,克服了现有纤维电化学电容器存在的瓶颈,具有用于可穿戴电子器件的巨大潜力。第二部分,使用PDA和KH560通过化学接枝方法对芳纶无纺布进行表面改性,将银和PPy包覆的芳纶无纺布与银和CNT包覆的芳纶无纺布组装成为芳纶无纺布不对称电化学电容器(AN-AEC),深入研究了无纺布电极组成和电容器结构对器件性能的影响。研究结果表明,银的加入能够提高芳纶无纺布电极的电容性能;在最优PPy含量下制备的AN/Ag/PPy电极由于平衡了银的导电性能和PPy的电容性能,具有高能量密度;由于AN-AEC能够在更大的电压下工作,其能量密度较芳纶无纺布对称电化学电容器(AN-SEC)显著提高;此外,AN-AEC具有良好的循环性能和可穿戴性能,具有用于可穿戴电子器件的巨大潜力。
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