非晶态Ni--Mo--P镀层改性导电聚合物及其在柔性超级电容器中的应用

摘要

柔性超级电容器作为一种新型便携式能量存储器件，具有比锂离子电池更高的功率密度和更长的循环寿命，同时其能量密度也高于传统的平行板电容器。超级电容器的研究热点包括开发性能优异电极材料、器件组装及其性能优化。 电极材料作为柔性超级电容器器件的关键部分，要求其具有优异的电容性能以及较高的柔韧性。目前，为了设计和构筑无粘结剂的柔性电极材料，将活性材料直接生长在柔性基底上的制备方法受到了许多研究者的关注。 本论文选择以碳布为导电基底，通过简单的原位化学氧化聚合法及电沉积法制备了系列有机-无机杂化材料，在其表面构建赝电容和双电层电容材料，并研究其在柔性超级电容器电极材料中的应用。具体研究内容如下: (1)设计并制备了聚苯胺(PANI)@碳纤维布(CFC)复合材料。通过原位化学氧化聚合法，在碳纤维表面生长了一层PANI得到PANI@CFC电极材料，并考察了氧化剂(NH4)2S2O8与有机单体(An)的配比、反应温度、反应时间及有机单体的浓度等条件对制备材料性能的影响。将该材料在1mol·L-1的H2SO4电解质中，采用三电极体系对其进行电化学测试，在电流密度1mA·cm-2下，其比电容达到486.25mF·cm-2。 (2)通过原位化学氧化聚合和电化学沉积两步法成功合成柔性Ni-Mo-P@PANI@CFC杂化电极材料，并应用于超级电容器，考察了不同的沉积过程和钼酸铵的浓度对材料性能的影响，电化学测试表明制备的Ni-Mo-P@PANI@CFC杂化材料具有优异的倍率性能和循环稳定性:当电流密度从1mA·cm-2增加到40mA·cm-2时，材料的比容量保留94.6％;在大电流密度40mA·cm-2下循环2000次，材料的比容量仍保留92.3％。此外，为了验证Ni-Mo-P镀层在常见导电聚合物方面的通用性，在相同条件下制备了Ni-Mo-P@PPy@CFC和Ni-Mo-P@PEDOT@CFC柔性电极材料，实验结果表明聚吡咯(PPy)和聚（3，4-亚乙二氧基噻吩）(PEDOT)的电化学性能都有很大的提升。 (3)为了进一步提高Ni-Mo-P@PANI@CFC电极材料的比容量，通过在碳纤维布上反复交替生长PANI和Ni-Mo-P镀层设计制备了多层(Ni-Mo-P@PANI)n@CFC(n=1-6)电极材料，考察了活性物质的层数对制备材料性能的影响，实验发现材料的单位面积比容量随着层数的增加而大幅提升。同时，在大电流密度40mA·cm-2下恒电流充放电循环2000次，比容量的保留率仍然很高。以(Ni-Mo-P@PANI)4@CFC作为正负电极片，PVA/H2SO4为固态电解质及纤维素隔膜组装了对称型柔性超级电容器，并研究了相应固态器件的电化学性能，结果表明:该柔性固态超级电容器在0.4mW·cm-2的功率密度下，能量密度可达到0.38mWh·cm-2，揭示了其在柔性能量存储领域的巨大应用前景。

目录

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2超级电容器简介

1．2．1超级电容器的分类与机理

1．2．2超级电容器的电极材料

1．3柔性固态超级电容器

1．3．1柔性固态超级电容器的器件结构

1．3．2柔性电极

1．3．3固态电解液

1．4碳布基柔性超级电容器

1．4．1碳／碳布复合电极材料

1．4．2金属氧化物／碳布复合电极材料

1．4．3导电聚合物／碳布复合电极材料

1．5本论文的研究目的、创新点及研究内容

1．5．1研究目的及意义

1．5．2研究创新点

1．5．3研究内容

第二章实验材料与测试方法

2．1实验仪器与药品

2．2材料的主要表征方法及原理

2．2．1拉曼光谱(Raman)

2．2．2扫描电镜显微技术(SEM)

2．2．3 X射线衍射技术(XRD)

2．2．4热重分析(TG)

2．2．5接触角测试(CA)

2．2．6 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．2．7红外光谱分析(FTIR)

2．3电极材料的制备和器件组装

2．4电化学性能测试方法与计算

2．4．1三电极体系

2．4．2两电极体系

2．4．3循环伏安法(CV)

2．4．5电化学阻抗测试(EIS)

2．5数据计算

2．5．1对称超级电容器的比电容的计算

2．5．2能量密度和功率密度的计算

第三章PANI@CFC柔性电极材料的制备及超级电容性能研究

3．1前言

3．2实验部分

3．2．1碳布的预处理

3．2．2 PANI@CFC柔性杂化复合材料的制备

3．3结果与讨论

3．3．1材料的红外(IR-FT)和拉曼光谱分析(Raman)

3．3．2材料的热重(TG)分析

3．3．3材料的SEM分析

3．3．4反应条件对柔性复合材料的电化学性能的影响

3．4本章小结

第四章Ni-Mo-P@PANI@CFC柔性电极材料的制备及超级电容性能的研究

4．1前言

4．2实验部分

4．2．1碳布的预处理

4．2．2 PANI@CFC柔性杂化复合材料的制备

4．2．4 Ni-Mo-P@PPy(PEDOT)@CFC柔性杂化材料的制备

4．3结果与讨论

4．3．1 FT-IR和Raman分析

4．3．2 XRD分析

4．3．3材料的接触角(CA)分析

4．3．4材料的SEM分析

4．3．5材料的TG分析

4．3．6材料的交流阻抗(EIS)测试

4．3．7材料XPS分析

4．4电化学性能分析

4．4．2 Ni-P@PANI@CFC柔性杂化材料

4．4．3 Ni-Mo@PANI@CFC柔性杂化材料

4．4．4 Ni-Mo-P@PANI@CFC柔性杂化材料

4．4．5钼酸铵浓度对Ni-Mo-P@PANI@CFC电化学性能的影响

4．4．6 Ni-Mo-P@PPy(PEDOT)@CFC柔性杂化材料

4．5本章小结

第五章(Ni-Mo-P@PANI)n@CFC杂化柔性超级电容器电极材料及器件研究

5．1前言

5．2实验部分

5．2．2三明治结构柔性固态器件的制备

5．3结果与讨论

5．3．1多层柔性杂化材料的SEM分析

5．3．2多层柔性杂化材料的热重(TG)分析

5．3．3电化学性能表征

5．4本章小结

第六章全文总结与研究展望

6．1全文总结

6．2工作展望与不足

参考文献

主要符号对照表

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

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