基于PANI/GO/CNTs复合薄膜的柔性可拉伸全固态超级电容器

摘要

随着微电子器件的普及，便携式电源的需求明显增加。微能源存储设备的可能候选者是锂离子电池和超级电容器（Supercapacitor，SC）。其中，柔性固态超级电容器（Solid supercapacitor，SSC）具有循环寿命长、功率密度高、环境友好、安全性、灵活性和稳定性，为能源存储的应用提供了一个非常有远景的选择。因此，本文基于碳纳米管（CNT）、氧化石墨烯（GO）以及聚苯胺（PANI）三种材料，设计并合成了拥有独特的三元层状交替结构的新型复合薄膜，并以PVA/H3PO4为凝胶电解质，制备了薄膜状的SSC；本论文也采用传统纺丝工艺，将复合薄膜纺织成螺旋纤维，并以PVA/H3PO4为凝胶电解质，制备了纤维状的SSC。而且还研究了这两种不同形态的SSC的电化学性能和力学性能。 通过界面聚合法制备了PANI纳米纤维。与GO混合，制备了PANI/GO复合材料。此外，利用化学气相沉积法（CVD）制备出连续大面积的CNT薄膜。通过滚轮浸渡法制备了PANI/GO/CNT三元复合薄膜。GO和PANI均匀的分散于CNT之间，形成了三维层状交替的独特结构。CNT的存在构成了三维导电网络，有效的提高了电子和电解质离子的传输。此外，可以改变掺入的PANI/GO的量，当PANI的质量为PANI和GO总质量的20%，50%和80%时，复合薄膜的比电容在1A/g的电流密度下达到301.2F/g、501.2F/g、729.3F/g。以80%-PANI/GO/CNT复合薄膜为电极材料，PVA/H3PO4为凝胶电解质，制备了薄膜状的SSC。在0.5A/g的电流密度下，其质量比电容为89.5F/g，并且在5000次循环后，电容保持率大约为80%。另外，柔性测试结果显示，薄膜状的SSC在折叠、180°弯曲500次的情况下，仍然能够稳定工作。 将PANI/GO/CNT复合薄膜裁剪成条带，利用传统纺丝工艺将其旋转纺织成PANI/GO/CNT复合螺旋纤维。以80%-PANI/GO/CNT复合螺旋纤维为电极材料，PVA/H3PO4为凝胶电解质，制备了纤维状的SSC。在0.1A/g的电流密度下，其质量比电容为71F/g，并且在拉伸80%的变形状态下，比电容的保持率为98.1%，依然能够稳定工作，表明了其在柔性可穿戴电子器件领域的广阔的应用前景。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 超级电容器

1.2.1 超级电容器介绍

1.2.2 超级电容器的构成

1.2.3 超级电容器的分类及储能机制

1.2.4 超级电容器的柔性研究

1.3 超级电容器的电极材料

1.3.1 碳材料

1.3.2 金属氧化物/氮化物/硫化物

1.3.3 导电聚合物

1.4 超级电容器的应用及发展前景

1.4.1 超级电容器在太阳能能源系统中的应用

1.4.2 超级电容器在风力发电系统中的应用

1.4.3 超级电容器在军用设备领域中的应用

1.4.4 超级电容器在城市轨道交通中的应用

1.4.5 超级电容器在运动控制领域的应用

1.5 论文的主要研究内容及意义

1.5.1 论文的选题意义

1.5.2 论文的主要内容

2 实验试剂及表征方法

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器及设备

2.3 材料主要表征仪器及方法

2.3.1 扫描电子显微镜

2.3.2 X射线衍射分析

2.3.3 傅里叶红外光谱分析

2.3.4 拉曼光谱分析

2.3.5 热重分析

2.3.6 N2吸附/脱吸附测试

2.3.7 原子力显微镜

2.3.8 电化学性能测试

2.4 电化学测试及计算

2.4.1 超级电容器的测试体系

2.4.2 超级电容器的性能及计算方法

2.5 本章小结

3 PANI/GO/CNTs复合薄膜的制备及表征

3.1 引言

3.2 PANI/GO/CNTs复合薄膜的制备

3.2.1 GO的制备

3.2.2 GO/PANI混合溶液的制备

3.2.3 CNT薄膜的制备

3.2.4 PANI/GO/CNTs复合薄膜的制备

3.3 PANI/GO/CNTs复合薄膜的表征

3.3.1 PANI/GO/CNTs复合薄膜的SEM表征

3.3.2 PANI/GO/CNTs复合薄膜的FTIR表征

3.3.3 PANI/GO/CNTs复合薄膜的XRD表征

3.3.4 PANI/GO/CNTs复合薄膜的Raman表征

3.3.5 PANI/GO/CNTs复合薄膜的BET表征

3.3.6 PANI/GO/CNTs复合薄膜的TGA表征

3.4 PANI/GO/CNTs复合薄膜电极的电化学性能研究

3.5 80%-PANI/GO/CNTs复合薄膜电极的电化学性能研究

3.6 本章小结

4 PANI/GO/CNTs薄膜状柔性全固态超级电容器

4.1 引言

4.2 固态电解质的制备

4.3 PANI/GO/CNTs薄膜状全固态超级电容器的组装

4.4 PANI/GO/CNTs薄膜状全固态超级电容器的电化学性能测试

4.4.1 原始状态下的电化学性能测试

4.4.2 折叠、弯曲变形状态下的的电化学性能测试

4.5 本章小结

5 PANI/GO/CNTs纤维状可拉伸全固态超级电容器

5.1 引言

5.2 PANI/GO/CNTs复合螺旋纤维的制备及性能研究

5.2.1 PANI/GO/CNTs复合螺旋纤维的制备

5.2.2 PANI/GO/CNTs复合螺旋纤维的SEM表征及力学性能研究

5.3 PANI/GO/CNTs纤维状可拉伸全固态超级电容器

5.3.1 PANI/GO/CNTs纤维状可拉伸全固态超级电容器的制备

5.3.2 PANI/GO/CNTs纤维状可拉伸全固态超级电容器的电化学性能测试

5.3.3 PANI/GO/CNTs纤维状可拉伸全固态超级电容器的柔性测试

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的论文与研究成果

个人简历

研究成果

致谢