一种基于PPY/GO膜电极的柔性超级电容器研究

摘要

未来的发展趋向于柔性能量和显示装置，并用于可穿戴电子、电子报纸、手腕移动电话、弯曲屏幕和其他柔性小工具的新兴领域。然而设计能够实现具有长循环稳定性的高能量和功率输送的高效、柔性的能量存储系统仍然是一个挑战。柔性超级电容器，与其他能量存储系统相比，在各个性能方面都具有一定的优势，而且可以方便的集成在不同的柔性器件之中，这对柔性电子领域的发展有着很大的推动作用。其中，石墨烯(GO)，有着很好的弹性和电子特征，是一种结构非常稳定的电极材料。导电聚合物聚吡咯(PPy)的合成工艺简单、成本较低、柔性好、具有可逆的氧化还原特性，是理想的导电材料。另外具有高电导率、宽电化学稳定窗口的电解质也是提高柔性超级电容器性能的关键。而聚乙烯醇(PVA)，具有很好的成膜性和稳定性，以PVA为基底制备的凝胶聚合物电解质，具有较高的离子电导率和优良的电化学性能，因此备受关注。
　　本文从柔性超级电容器的制备角度出发，研究了在柔性基底—轻质聚氯乙烯(PVC)上电极结构的制备，结合Ansys仿真软件，对柔性电极进行电场和容值的仿真，并对柔性超级电容器的两个关键部分，膜电极功能材料以及电解质进行了改性研究。将PPy与石墨烯进行掺杂结合，制备复合电极材料，研究其性能参数。并制备了一种新型的PVA-KOH-KSCN-EG凝胶聚合物电解质，在最佳配比下测得其电导率为1.61×10-2S/cm。并从提高其电导率和电化学稳定窗口的角度进行研究，探究了其与电极的相容性，以此来提高柔性超级电容器的性能。
　　最后将制备的膜电极及凝胶聚合物电解质进行组装，制得柔性超级电容器样品，并对它们的循环伏安特性、阻抗特性、充放电特性、自放电特性、功率特性、温度特性进行了测试和分析。其中最佳配比下制备的柔性超级电容器样品的本征电阻为1.5Ω;比电容达到了27.4mF/cm2;电压保持率为87％;能量密度和功率密度分别为0.038Wh/m2、13.7W/m2，并且在-30℃～60℃的温度范围内都能保持较好的性能。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 柔性超级电容器概述

1．2．1 柔性超级电容器储能原理

1．2．2 柔性超级电容器特点

1．2．3 柔性超级电容器应用

1．3 柔性超级电容器国内外研究进展

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 电极材料的研究

1．5 凝胶电解质的研究

1．5．1 凝胶电解质的分类

1．5．2 凝胶电解质的应用现状

1．6 论文主要研究内容

2 柔性电极容值的仿真

2．1 引言

2．2 电极结构的研究

2．3 电极容值的Ansys仿真

2．3．1 方案设计

2．3．2 仿真优化

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料及仪器

3．2．2 3D打印掩膜板

3．2．3 电极的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 电极的形貌表征

3．3．2 电极的电化学性能表征

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料及仪器

4．2．2 PVA基凝胶电解质的制备及测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 电解质的形貌表征

4．3．2 电解质的电化学性能表征

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 器件组装与测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 柔性超级电容器的循环伏安特性

5．3．2 柔性超级电容器的阻抗特性

5．3．3 柔性超级电容器的充放电特性

5．3．4 柔性超级电容器的自放电特性

5．3．5 柔性超级电容器的功率特性

5．3．6 柔性超级电容器的温度特性

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢