基于聚吡咯电极制备的柔性电化学电容器研究

摘要

柔性电化学电容器作为一种储能器件，具有高容量、充放电速度快、稳定性高、环保和轻柔等特点，引起了人们的广泛关注。在决定柔性电容器性能的诸多因素中，电极材料和电解质最为重要。在众多的电极材料中，导电聚吡咯（PPy）因具有比电容大、导电性好、合成简单、对环境污染小和内在的柔性等优势，已成为构建柔性电化学电容器的重要电极材料。但由于在电容器充放电过程中离子的掺杂和去掺杂，导致PPy的结构被破坏，使得PPy基电容器的稳定性较差。本文通过改变PPy的制备方法，改变PPy的掺杂离子以及电解质种类，研究了制备高稳定性PPy基电极材料的一些影响因素，为制备高性能的PPy基电容器提供了一定的实践基础。
　　（1）利用化学氧化聚合法和电化学聚合法，制备了沉积于碳纤维表面的掺杂氯离子的 PPy电极材料(PPy/CFs），在化学氧化聚合法中，通过改变氧化剂FeCl3·6H2O的浓度来控制PPy在PPy/CFs中的含量。研究结果表明，当所用氧化剂浓度为350 mg mL-1时制备的PPy/CFs在具有较大的比电容同时还具有良好的倍率性能，用该电极材料组装的柔性电化学电容器具有较大的比容量和良好的循环稳定性。但电化学聚合法制备的PPy/CFs虽然具有相当的比容量，但循环稳定性较差。化学氧化聚合法制备的 PPy/CFs经5000次循环后，其比电容值仍保留初始的85％，而用电化学聚合法制备的PPy/CFs经200次循环后，电容值只保留初始的5%。除此之外，化学聚合法制备的PPy/CFs组装的电化学电容器在不同角度弯曲下CV曲线的变化不大，展示了很好的柔性。
　　（2）用恒电流电化学沉积法，以碳纤维为导电基体，分别在含有0.1 mol L-1吡咯单体的H3PO4、NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4·12H2O、Na3PO4和LiH2PO4的沉积液中制备了PPy/CFs复合物。研究表明，以NaH2PO4·2H2O为电解质时制备的PPy/CFs具有大的比电容值和好的倍率性能。基于此PPy/CFs为电极，H3PO4/PVA为电解液组装了柔性电容器，发现当扫描速度为2 mV s-1时，电极活性物质PPy的比电容可达287 F g-1，经过13000圈的CV循环后，比电容值仍保留初始值的96.8%，电容的串并联性质测试表明其符合串并联规律，三个电容串联可点亮电压阈值为2.5 V的LED灯，表明该电容器具有一定的实用性。
　　（3）选取钛网（TiM）作为半透明导电基底，以恒电流沉积法制备了掺杂对甲苯磺酸根离子的PPy/TiM电极材料。讨论了沉积时间对PPy/TiM的性质的影响，将最佳优化条件下的PPy/TiM作为电极材料，H3PO4/PVA为电解液组装成柔性半透明电化学电容器。结果显示，最优条件下制备的PPy/TiM，在0.025 mA cm-2电流密度下，PPy质量比电容值高达326 F g-1，并且展示了很好的循环稳定性，在20000圈CV循环之后，比电容与最初值比并没下降。

目录

第一章 前言

1.1柔性电化学电容器的研究背景

1.2柔性电化学电容器的简介

1.3聚吡咯柔性电化学电容器

1.4柔性电化学电容器与电子器件的集成

1.5本课题的提出及研究内容

第二章 不同方法制备的聚吡咯/碳纤维电极材料用于柔性电化学电容器研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4结论

第三章 不同磷酸盐电解质电化学制备聚吡咯/碳纤维电极材料及其在柔性电容器中性能的研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4结论

第四章 聚吡咯/钛网电极材料制备的高稳定性柔性半透明电化学电容器研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4结论

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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