聚合物基柔性膜电极及一体化柔性超级电容器

摘要

随着便携式电子产品的快速发展，柔性储能器件的研究也备受关注，开发出一种高柔性和高电化学性能兼具的储能器件对于进一步推动柔性电子市场具有重要意义。在众多的柔性储能器件中，柔性超级电容器以其快速的充放电能力、循环寿命长及功率密度高等优点备受研究者青睐。选取合适的方法制备出高性能的柔性电极对于整个器件的电化学性能至关重要，本文就柔性载体的选择、电化学活性物质的生长方法、对浸没沉淀相转化法的改进以及优化传统三明治型柔性器件的结构等方面展开研究。主要研究内容包括： （1）采用溶剂诱导法制备聚苯胺-聚醚砜柔性膜电极。具体是以聚醚砜和苯胺单体制备铸膜液，使单体在包含掺杂酸和氧化剂的凝固浴中发生原位聚合反应，通过聚苯胺和聚醚砜之间形成的分子间氢键作用力构筑“刚柔并济”型的聚合物基膜电极。研究凝固浴条件（掺杂酸浓度和氧化剂含量）对膜结构、电导率和电化学性能的影响。经过优化之后的膜电极与活性炭柔性膜电极组装成的非对称器件能够达到的最大能量密度为813mWh·m-2。 （2）为了优化溶剂诱导法制备的膜的孔结构，以聚醚砜和氢氧化镍制备铸膜液，对溶剂诱导法中剧烈的相转化过程做出改进以减缓双相之间的扩散速率，即采用水蒸气诱导法使初生态膜经历一个缓慢的溶剂相-水蒸气相的微相分离过程。通过这种缓慢的相转化技术能够使膜电极形貌呈现出对称型结构，而传统的相转化法得到的膜电极的形貌呈现出由指状孔、大孔及多微孔构成的非对称型结构。相比之下这种对称型结构更利于电解质离子的快速传输从而提升膜电极的电化学性能。研究结果表明当相转化环境中水蒸气相对湿度为70%、相转化时间为10min、相转化温度为40℃时，膜电极的结构和电化学性能达到最优。经过这种方法优化之后的膜电极与活性炭柔性膜电极组装成的器件能够达到一个最大的能量密度30.01Wh·k g-1。 （3）由于前述章节中聚合物基膜电极中疏水高分子的存在而影响电极的浸润性，故选择保湿性、亲电解液性优异的羧化壳聚糖水凝胶为电极的柔性载体，通过苯胺单体的原位聚合反应使活性物质包覆于柔性基体上，并通过金纳米颗粒进一步增强柔性电极的导电性。最后，以碳布为集流体制备出集流体/电极材料一体化的柔性电极，并以此对传统的三明治型器件结构进行优化以减缓界面问题从而得到电极/电解质一体化的柔性超级电容器。研究表明金的掺杂有效提升膜电极的电化学性能，电极/电解质一体化的器件结构有助于电解质离子的有效传输。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 柔性超级电容器概述

1.2 柔性超级电容器电极

1. 2. 1 柔性超级电容器电极分类

1. 2. 2 柔性超级电容器电极制备方法

1.3 柔性超级电容器电极的导电性与集流体选择

1.4 柔性超级电容器器件结构的发展

1.5 柔性超级电容器器件结构优化──电极/电解质一体化

1. 6. 1 课题的研究意义及提出

1. 6. 2 课题的研究内容

第2章 溶剂诱导法制备聚苯胺-聚醚砜柔性膜电极及其电化学性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2. 2. 1 化学试剂与实验仪器

2. 2. 2 聚苯胺-聚醚砜柔性膜电极的制备

2. 2. 3 材料的结构表征

2. 2. 4 材料的电化学性能表征与测试

2. 3. 1 聚苯胺-聚醚砜柔性膜电极的制备机理

2. 3. 2 聚苯胺-聚醚砜柔性膜电极的结构表征

2. 3. 3 聚苯胺-聚醚砜柔性膜电极的柔性表征

2. 3. 4 聚苯胺-聚醚砜柔性膜电极的电化学性能研究

2.4 本章小结

第3章 水蒸气诱导法制备氢氧化镍基柔性膜电极及其电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3. 2. 1 化学试剂与实验仪器

3. 2. 2 凝固浴相转化法和水蒸气诱导法制备氢氧化镍基柔性膜电极

3. 2. 3 材料的结构表征

3. 2. 4 材料的电化学性能表征与测试

3.3 结果与讨论

3. 3. 1 氢氧化镍纳米颗粒的结构表征

3. 3. 2 两种类型的柔性膜电极的制备机理

3. 3. 3 两种类型的柔性膜电极的微观形貌差异

3. 3. 4 水蒸气诱导条件对柔性膜电极微观形貌的影响

3. 3. 5 水蒸气诱导条件对柔性膜电极电化学性能的影响

3. 3. 6 基于两种类型的柔性膜电极和活性炭柔性膜电极的器件组装

3. 3. 7 基于两种相转化法所制备的其它聚合物基柔性膜电极

3.4 本章小结

第4章 电极/电解质一体化的全固态柔性超级电容器制备

4.1 引言

4.2 实验部分

4. 2. 1 化学试剂与实验仪器

4. 2. 2 苯胺原位聚合法制备金掺杂的聚苯胺-羧化壳聚糖凝胶膜电极

4. 2. 3 基于金掺杂的羧化壳聚糖制备三明治型柔性超级电容器

4. 2. 4 金掺杂的电极/电解质一体化柔性器件的制备

4. 2. 5 材料的结构表征

4. 2. 6 材料的电化学性能表征与测试

4.3 结果与讨论

4. 3. 1 羧化壳聚糖膜电极及不同器件的制备机理

4. 3. 2 羧化壳聚糖膜电极的结构表征

4. 3. 3 羧化壳聚糖膜电极的电化学性能研究

4. 3. 4 基于羧化壳聚糖膜电极制备不同结构的柔性器件

4.4 本章小结

结论

研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表或接收的学术论文