柔性碳基杂化纳米纤维膜状电极的制备及其电化学性能研究

摘要

柔性电极材料作为一种特殊的超级电容器电极材料，不仅具有优异的充放电性能，而且由于其优秀的柔韧性能，使其在制备便携式储能器件方面取得了广泛的关注。本文以醋酸钴、醋酸镍、聚丙烯腈(PAN)为原材料，制备出了金属钴负载碳纳米纤维柔性电极材料(CCNFs)，而后在其表面上负载了一层钴酸镍制备出了NiCo2O4/Co/CNFs薄膜以增强其电化学性能(NCCNFs)，最后利用PVA/KOH固体凝胶电解质和CCNFs柔性薄膜制备出了固体电容器。采用XRD、Raman、BET、SEM、TEM、CV及GCD等表征手段对这些复合材料形貌、结构及电化学性能进行了表征。 首先，本文以醋酸钴和PAN为溶质，DMF为溶剂配制成纺丝液，然后经过静电纺丝和高温烧结过后，得到了CCNFs薄膜。利用XRD、Raman、SEM以及CV、GCD对其微观结构、表面形貌以及电化学性能进行了表征。实验结果表明，PAN∶醋酸钴质量比6∶4的静电纺丝纤维膜在600℃烧结8h得到的CCNFs薄膜不仅具有良好的电化学性能（在电流密度为1A/g时，比电容为394F/g，循环1000圈后其比电容为初始比电容的80％左右），而且其柔韧性能比较优异（可以反复折叠180°而不产生折痕）。 然后以醋酸钴、醋酸镍（质量比为2∶1）为原材料，通过水热法在CCNFs的表面上负载了一层多孔的钴酸镍(NiCo2O4)，采用XRD、Raman、SEM、TEM、BET以及CV、GCD对其微观结构、表面形貌以及电化学性能进行了表征。实验结果表明，所负载的钴酸镍为多孔网状结构，其厚度大约为250nm，大大增加了纤维的比表面积以及电化学性能。当水热温度为95℃和水热时间为5h时，所得到的产物(NCCNFs)在电流密度为1A/g时的比电容为1032F/g，循环1000圈之后还有70％的电容剩余，展现出良好的电化学性能，同时能够较好的保持碳纤维原有的机械性能。 最后配置PVA/KOH凝胶，以1cm×3cm的CCNFs薄膜为工作电极，PVA/KOH凝胶作为固体电解质，以CCNFs薄膜、PVA/KOH凝胶、CCNFs薄膜的顺序组装成固体电容器。该固体电容器拥有优异的电化学性质，在0.1mA/cm2的电流密度下，其面积比电容达到了18.2mF/cm2，能量密度最大为1.69mWh/cm2，循环1000圈之后还有97.7％的留存，体现了良好的稳定性。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1超级电容器概述

1．1．1双电层电容器

1．1．2法拉第赝电容器

1．1．3复合型电容器

1．2碳纤维复合材料

1．2．1碳纤维的性质

1．2．2碳纤维复合材料

1．3柔性电极材料

1．3．1碳材料

1．3．2赝电容材料

1．4本论文的选题意义和研究内容

2 CCNFs的制备及其电化学性能

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1药品及仪器

2．2．2 CCNFs薄膜的制备

2．2．3表征与测试

2．2．4电化学测试

2．3结果与讨论

2．3．1柔性性能分析

2．3．2 FT-IR分析

2．3．3 XRD分析

2．3．4 SEM分析

2．3．5 EDS分析

2．3．6 Raman分析

2．3．7 BET分析

2．3．8电化学分析

2．4本章小结

3 NCCNFs复合材料的制备及其电化学性能

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验试剂及仪器

3．2．2 NCCNFs柔性电极的制备

3．2．3表征与测试

3．2．4电化学测试

3．3结果与讨论

3．3．1柔性性能分析

3．3．2 FT-IR分析

3．3．3 XRD分析

3．3．4 SEM分析

3．3．5 EDS分析

3．3．6TEM分析

3．3．7 Raman分析

3．3．8 BET分析

3．3．9电化学分析

3．4本章小结

4 CCNFs固体电容器的制备及性能研究

4．1引言

4．1．1固体电容器

4．1．2聚合物电解质

4．1．3凝胶聚合物电解质

4．2实验部分

4．2．1实验试剂及仪器

4．2．2固态电容器的制备

4．2．3电化学测试

4．3结果与讨论

4．3．1 CV分析

4．3．2 GCD分析

4．3．3 EIS分析

4．3．4循环寿命分析

4．3．5不同弯曲角度下的CV曲线

4．4本章小结

5结论

5．1本论文所得结论

5．2实验创新与不足

致谢

参考文献

附录