柔性聚苯胺复合电极的制备及其在超级电容器中的应用

摘要

聚苯胺具有电导率高、合成简便、成本低廉等优势，因此，聚苯胺及其衍生材料广泛地应用于诸多领域，例如电化学器件（传感器、电容器、显示器），电池（太阳能电池、燃料电池、二次电池），防腐涂料和电磁屏蔽等。然而，聚苯胺分子链刚性以及链之间强的相互作用，使加工时难成型。作为电容器电极时依赖支撑材料。所以，我们可以通过物理或化学方法对聚苯胺进行改性，以改善其加工能力，包括制备聚苯胺/热塑性塑料复合材料，引入柔性的烷基链，以及共聚等。
　　本论文采用涂覆铸膜方法先期制备薄膜基质，然后通过苯胺原位化学氧化聚合在薄膜表面沉积或接枝聚苯胺，制备柔性聚苯胺基材料，作为自支撑电极应用于超级电容器中。实验中，我们选取轻质、易成型的聚氯乙烯薄膜和大比表面积的玻璃纤维纸作为柔性基质，并考察聚合条件对复合电极性能的影响，优化合成条件。
　　首先，我们采用涂覆铸膜方法制备了聚氯乙烯薄膜，然后苯胺在其表面原位化学氧化聚合，制备柔性的聚苯胺复合薄膜电极。结果表明，快速混合氧化聚合制备的聚氯乙烯-g-聚苯胺电化学性质最佳。在电流密度为1A/g时，其比电容为645.2F/g。聚氯乙烯-g-聚苯胺复合电极拥有佳的倍率性质，2A/g时，它保持了开始的95％。聚氯乙烯-g-聚苯胺拥有优异的电化学稳定性，经过1000个循环伏安测试，保持了96%。另外，在8.7MPa应力作用5min时，聚氯乙烯-g-聚苯胺复合电极的比电容保持了80.3%；作用1h时，保持率为61.2%。聚氯乙烯-g-聚苯胺复合电极表现出了优异的柔韧性。
　　其次，通过传统化学氧化聚合和快速混合氧化聚合，在经过硅烷偶联剂修饰的玻璃纤维表面接枝聚苯胺，制备了氨基功能化玻璃纤维纸/聚苯胺复合电极。研究结果表明，采用快速混合聚合制备氨基功能化玻璃纤维纸/聚苯胺电极的比电容为490.6F/g。它有良好倍率性质，10A/g时，比电容保持了起始的64.8%。它的稳定性优异，测试2000个循环后，比电容保持了106.8%。另外，氨基功能化的玻璃纤维纸/聚苯胺复合电极表现出了优异的柔韧性。在0.71MPa的应力作用5min时，其比电容保持了90.0%；作用1h时，保持率为72.6%。从扫描电镜照片看到，加入的硅烷偶联剂作为聚苯胺和玻璃纤维间的连接桥梁，从而在玻璃纤维表面形成独特的聚苯胺层，并伴有更好的电化学性质。
　　再次，通过共混在聚氯乙烯薄膜中引入多壁碳纳米管作为导电填料，先期制得拥有导电能力的聚氯乙烯/多壁碳纳米管二元基质薄膜。然后，采用化学氧化方法，制备了聚苯胺/聚氯乙烯/多壁碳纳米管电极。采用快速混合聚合制备聚苯胺/聚氯乙烯/多壁碳纳米管比电容是801.1F/g。它具有良好倍率性质，10A/g时，保持了起初的66.6%。经过2000个循环伏安测试，其比电容保持了90.6%。此外，它还表现出了优异柔韧性。在8.1MPa的应力作用5min时，其比电容保持了80.4%；作用1h时，保持率为71.8%。SEM照片可知，传统化学氧化聚合时呈现出疏松结构；而快速混合时是长度约1μm聚苯胺纤维。
　　最后，在聚氯乙烯薄膜中引入氧化锌和聚乙二醇，分别得到了具有多孔结构聚氯乙烯基质薄膜。然后，采用原位聚合制备多孔结构聚苯胺/聚氯乙烯复合薄膜电极。采用氧化锌作为致孔剂，并快速混合聚合制备多孔聚苯胺/聚氯乙烯复合电极比电容是533.7F/g。在10A/g的电流密度下，其比电容保持了起始的63.3%。经过2000个循环伏安测试，其比电容保持了95.0%。另外，在9.5MPa的应力作用5min时，其比电容保持了76.8%；作用1h时，其比电容保持率为57.2%，表现出好的综合性质。

目录

声明

第一章 前言

1.1 超级电容器

1.2 超级电容器的电极材料

1.3 柔性电极

1.4 聚苯胺

1.5 立题依据

参考文献

第二章 高强度柔性自支撑的氨基功能化玻璃纤维过滤纸/聚苯胺复合薄膜电极的制备及其在高性能超级电容器中的应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

参考文献

第三章 高强度柔性自支撑聚苯胺-聚氯乙烯复合薄膜电极的制备及其在超级电容器中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

参考文献

第四章 柔性聚苯胺/聚氯乙烯/多壁碳纳米管复合薄膜的制备及其超级电容器中的应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

参考文献

第五章 多孔聚氯乙烯/聚苯胺复合薄膜电极的制备及其在柔性自支撑超级电容器中的应用

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 小结

参考文献

全文总结

在学期间的研究成果

致谢