电活性生物质基超级电容器的制备及其性能研究

摘要

开发可持续的新能源以及研制高效的储能设备是当今世界亟需解决的难题。超级电容器因其具有成本低、功率密度高、充电时间短、使用寿命长、使用温度范围广以及环境友好等特点，在高效储能器件领域具有极大的应用潜力。电极材料、电解液以及器件组装方式决定了超级电容器的性能，开发和设计高性能、低成本以及环境友好的新型电极材料和器件将具有很大的前景和挑战。生物质材料如木质素和单宁酸(Tannic Acid, TA)具有可再生、来源广泛、价格低廉和环境友好等特点，且其分子结构中有大量的酚羟基，可以发生醌式和氢醌式的可逆结构转变从而形成赝电容，在超级电容器材料中具有潜在的应用价值。然而，这些生物质材料本身不导电，往往需要将其与导电性较好的材料复合才能发生氢醌互变提供赝电容。为进一步拓展生物质材料在超级电容器中的应用以及提高其理论赝电容利用率，本研究将木质素磺酸钠(Lignosulfonate, Lig)和TA分别与导电性较好的聚吡咯(Polypyrrole, PPy)和MXene(Ti3C2TX)材料复合，制备几种生物质固态超级电容器，并探究其性能。具体的研究内容如下：　　(1)通过原位聚合物法将Lig与导电性较好的PPy复合并生长在木片的上下两面，成功制备了一种一体化的木基对称超级电容器，并探讨了Lig与吡咯(Pyrrole, Py)的比例以及不同的浸泡时间对超级电容器电化学性能的影响。通过超级电容器的电化学测试得到了最优的电化学性能的反应条件，即Lig与Py的比例为7∶4，浸泡时间为4h。以适宜比例制备的超级电容器在1mAcm-2的电流密度时表现出了1062mFcm-2的面积比电容，并且对应的能量密度达到了47.2μWhcm-2，同时也有着优异的机械刚度(71MPa的最大压缩应力)，即使在超过71MPa的压力下被压碎成饼状时，也能保持较高的电容。　　(2)将TA，Ti3C2TX和Kevlar纳米纤维(Aramid Nanofiber, ANF)混合均匀，通过真空抽滤的方式组装成膜制备了高性能柔性Ti3C2TX/TA/ANF复合膜。本文探究了在总含量固定的情况下，不同含量的TA对Ti3C2TX/TA/ANF电化学和力学性能的影响，以及不同含量的ANF对Ti3C2TX/TA/ANF电化学和力学性能的影响。通过电化学和力学的研究，得到了适宜的成膜条件：Ti3C2TX∶TA=9∶1，Ti3C2TX/TA∶ANF=93∶7。在优化条件下制备的Ti3C2TX/TA/ANF的力学强度高达36.2MPa，比纯Ti3C2TX膜的强度提高了一倍多。该Ti3C2TX/TA/ANF所组装成的柔性固态超级电容器在电流密度为1Ag-1时其表现出826.6Fcm-3的高体积比电容，在经过6500次循环以后仍保留了89%的初始电容值。与此同时，该柔性超级电容器也展现出相当好的柔性，在经过弯曲、卷曲以及折叠等形变后比电容几乎没有损耗，且其在1000次弯曲测试后，仍有着97%的初始电容值。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器的概述

1.2.1 超级电容器的特点

1.2.2 超级电容器的基本构造

1.2.3 超级电容器的电极材料

1.2.4 超级电容器的分类

1.2.5 集成超级电容器

1.2.6 柔性固态超级电容器

1.3 电活性生物质基超级电容器的研究

1.3.1 生物质及其复合材料在超级电容器中的研究

1.3.2 电活性生物质基超级电容器的导电基质

1.3.3 柔性电活性生物质基超级电容器

1.4 选题意义及主要研究内容

1.4.1 选题意义

1.4.2 研究内容

第2 章实验部分

2.1 实验仪器

2.2 实验试剂

2.3 生物质基超级电容器的制备

2.3.1 全木基刚性一体化超级电容器的制备

2.3.2 柔性生物质基超级电容器的制备

2.4 形貌与结构表征

2.4.1 扫描电子显微镜分析

2.4.2 透射电子显微镜分析

2.4.3 X 射线光电子能谱分析

2.4.4 X 射线衍射分析

2.4.5 红外光谱分析

2.5 性能测试

2.5.1 力学性能测试

2.5.2 电化学性能测试

第3 章电活性生物质基刚性一体化超级电容器的制备及性能研究

3.1 前言

3.2 Lig 和Py的不同比例对超级电容器电化学性能的影响

3.3 不同的浸泡时间对超级电容器电化学性能的影响

3.4 LPWS74-4h复合材料的的微观结构和形貌

3.5 LPWS74-4h复合材料的结构组成和力学研究

3.6 一体化超级电容器LPWS74-4h的电化学性能研究

3.7 不同的外部负载对一体化超级电容器LPWS74-4h电化学性能的影响

3.8 本章小结

第4 章电活性生物质基柔性固态超级电容器的制备及性能研究

4.1 前言

4.2 不同TA含量对Ti3C2TX/TA复合膜性能的影响

4.2.1 不同 TA 含量对 Ti3C2TX/TA 复合膜微观结构和形貌的影响

4.2.2 不同 TA 含量对 Ti3C2TX/TA 复合膜力学性能的影响

4.2.3 不同 TA 含量对 Ti3C2TX/TA 复合膜电化学性能的影响

4.3 不同ANF含量对Ti3C2TX/TA/ANF 复合膜性能的影响

4.3.1 不同ANF含量对Ti3C2TX/TA/ANF复合膜微观结构和形貌的影响

4.3.2 不同 ANF 含量对 Ti3C2TX/TA/ANF 复合膜力学性能的影响

4.3.3 不同 ANF 含量对 Ti3C2TX/TA/ANF 复合膜电化学性能的影响

4.4 Ti3C2TX/TA/ANF 复合膜的微观结构和形貌

4.5 Ti3C2TX/TA/ANF 复合膜的结构组成和力学研究

4.6 Ti3C2TX/TA/ANF 基柔性超级电容器的电化学性能的研究

4.7 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间取得的研究成果

致 谢