【摘 要】
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在人们的日常生活中,纤维是最常见的柔性材料之一,具备重量轻、可折叠、可弯曲和可编织等特点。纤维状的能源储存器件也被认为是日益兴起的柔性可穿戴电子设备的重要组成部分,是目前的主要研究方向。其中纤维状的超级电容器不仅能够具有优异电容性能和循环性能,还能够适应如今对能源器件小型化、柔韧性和可弯曲等性能的要求。石墨烯因为具有超高的电导率和比表面积被许多学者应用于制备电容材料。而石墨烯基纤维超级电容器根据原
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在人们的日常生活中,纤维是最常见的柔性材料之一,具备重量轻、可折叠、可弯曲和可编织等特点。纤维状的能源储存器件也被认为是日益兴起的柔性可穿戴电子设备的重要组成部分,是目前的主要研究方向。其中纤维状的超级电容器不仅能够具有优异电容性能和循环性能,还能够适应如今对能源器件小型化、柔韧性和可弯曲等性能的要求。石墨烯因为具有超高的电导率和比表面积被许多学者应用于制备电容材料。而石墨烯基纤维超级电容器根据原料、及制备工艺和后处理方式的多样性,致使其物理机械性能较差,无法满足实际需求。碳纤维由于具有优异的导电性和强力,同样也能被应用于制备电容材料。但由于其表面比较致密,导致其较低的比表面积决定了其较低的比电容。而且碳纤维上没有额外的官能团,这样限制了其电荷存储能力。因此,需要对碳纤维进行合理的掺杂和改性来满足电化学要求。针对上述问题,本文以氧化石墨烯(GO)、聚丙烯腈(PAN)为原料,采用同轴湿法纺丝技术结合热还原的方法制备还原氧化石墨烯-聚丙烯腈@聚丙烯腈(rGO/PAN@PAN)同轴纤维。另外,通过控制参数对rGO/PAN@PAN同轴纤维的比表面积及孔径进行改善,研究了纤维电极性能的影响因素。具体研究内容如下:首先,为了研究PAN纤维和GO/PAN纤维的性能,本文采用湿法纺丝与热还原相结合的方式分别制备了数米长的PAN和rGO/PAN纤维。通过探究不同PAN浓度对PAN纤维强力的影响,和不同GO含固量对GO/PAN、rGO/PAN纤维强力和电导率的影响,系统地表征了纤维碳化前后微观结构的变化,获得适宜纺丝的浓度区间,并确定适合用于同轴纤维芯、壳层材料。其次,利用PAN纤维高强和rGO/PAN纤维高电导率的优点,制备以PAN碳纤维为芯层,rGO/PAN纤维为皮层的rGO/PAN@PAN同轴纤维。通过SEM分析,表征了同轴纤维的微观结构;另外,设计三因素两水平的正交试验,通过BET分析和电导率的测试,高电导率和高比表面积的同轴纤维。最后,对GO/PAN、rGO/PAN和rGO/PAN@PAN纤维的力学性能作了对比,得到集强力、电导率、比表面积等性能较好的电极材料,用于超级电容器的性能测试。最后,将性能最优的rGO/PAN@PAN同轴纤维组装成固态超级电容器,并通过电化学工作站进行电化学测试,分析得到其具有较高的比电容(137.52m F/cm~2)和能量密度(12.24μWh/cm~2),功率密度为0.62m W/cm~2,同时具有56.5%的电容保持率。另外,通过对比发现PAN纤维电极性能较差,而rGO/PAN纤维电极有优于rGO/PAN@PAN同轴纤维电极的比电容和能量密度,但功率密度和双电层电容存储性能不如rGO/PAN@PAN同轴纤维电极。综上所述,本文通过同轴湿法纺丝技术和热还原相结合的方法,制备了低成本且具有较高电导率、比表面积的rGO/PAN@PAN同轴纤维电极,并组装成具有高比电容和能量密度的全固态纤维超级电容器。为研究兼具强力和高电容的纤维电极提供了新思路,为纤维超级电容器的持续发展奠定了基础。
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