柔性超级电容器MXene/PANI水凝胶体系的制备及电化学性能研究

摘要

电化学能量储存器件包括锂离子电池和超级电容器等已经在消费电子、电动汽车等诸多领域得到了广泛应用，而且日益受到工业界和科研界的高度重视。随着柔性显示和可穿戴电子的蓬勃发展，柔性能量供给和存储器件也备受关注。柔性超级电容器加工方式灵活，具有高的能量密度、可伸展性及可压缩性的优点，有望成为现代柔性可穿戴电子设备的能量供给元器件。　　柔性电极材料是实现高性能柔性超级电容器的关键技术之一。本文以聚苯胺导电高分子材料为研究对象，提出超分子交联引入大量分子间氢键从而提高聚苯胺的溶解性和可加工性。进一步，引入高导电性的MXene材料，大幅度地提升了聚苯胺复合水凝胶的导电性能，从而实现了聚苯胺其柔性超级电容器的高功率特性。主要研究工作如下：　　1.采用化学氧化聚合的方法，在植酸分子多元磷酸基团的作用下，合成了聚苯胺水凝胶。通过透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)表征了聚苯胺水凝胶的组成和化学结构。分析结果表明：基于聚苯胺高分子链上质子化的氮与植酸分子中的磷酸基团的阴离子掺杂作用，两者相互作用形成相互连接的网络。这种相互连接的网络自然形成连续的电子转移相，分布在网络中的孔形成了离子和质量转移的畅通通道。而且，聚苯胺水凝胶具有良好的加工性能，利用简单的喷涂工艺将其涂敷于柔性PET膜为基底的金电极上，并以PVA/H2SO4凝胶电解质为电解液组装成柔性固态超级电容器。循环稳定性、电化学阻抗谱(EIS)、恒电流充放电(GCD)和循环伏安测试结果表明聚苯胺水凝胶具有较好的综合电化学性能，其面积比电容为91mFcm-2。　　2.针对聚苯胺水凝胶导电性较差的问题，提出氢键“桥联”二维MXene纳米片和一维PANI纳米线的思想，利用多官能团小分子植酸作为交联剂，植酸分子上的多元磷酸基团会与MXene及聚苯胺分子链上的官能团相互作用形成氢键，从而构筑出三维网络状的MXene/PANI水凝胶体系。结合MXene/PANI水凝胶体系成分、化学结构以及电化学性能分析，结果表明通过超分子“桥联”得到的MXene/PANI水凝胶不仅改善了聚苯胺机械性能和电化学稳定性，亦避免了纯的MXene材料容易发生塌陷和二次堆叠等问题，对电极材料的比电容、能量密度和功率密度提高具有积极意义。　　3.系统研究了聚苯胺水凝胶体系的电化学性能。结果表明：基于MXene/PANI-CPHs的柔性全固态超级电容器的离子传输电阻、比电容和倍率性能均明显优于pp-CHPs基柔性超级电容器。同时，由于避免了循环过程中质子和电解液离子反复插入/嵌出所致材料的收缩与膨胀，在同样5mAcm-2的扫描速率下，MXene/PANI-CPHs基柔性超级电容器前期的容量下降幅度要明显低于pp-CHPs基柔性超级电容器，显示出优异的稳定性。基于聚苯胺水凝胶体系的柔性固态超级电容器具有很好的力学柔性，可以在扭曲或弯曲状态下较好地工作，并展现出很高的容量保持率。同时，能够采取串/并联策略实现电压和电流的可控输出，以满足更高能量需求。在1mAcm-2的电流密度下，表现出462.5mFcm-2的面积比电容。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器

1.2.1 超级电容器的发展

1.2.2 超级电容器的分类及储能机制

1.3 传统超级电容器电极材料

1.3.1 碳材料

1.3.2 金属氧化物

1.3.3 导电聚合物

1.4 新型超级电容器电极材料

1.4.1 MXene材料的概述

1.4.2导电聚合物水凝胶的概述

1.4.3 导电聚合物水凝胶的制备方法

1.4.4 导电聚合物水凝胶在超级电容器中的应用

1.5 本论文的创新点和研究内容

1.5.1 本论文的创新点

1.5.2 本论文的研究内容

第2 章实验用品和材料表征

2.1 实验原材料

2.2 实验设备

2.2 材料表征

2.3 电化学性能表征

2.3.1 循环伏安测试

2.3.2 恒电流充放电测试

2.3.3 电化学阻抗谱测试

2.3.4 循环稳定性测试

第3 章分层纳米结构导电聚合物水凝胶的制备及微结构

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 制备 pp-CPHs

3.2.2 制备凝胶电解质

3.2.3 制备柔性全固态超级电容器

3.4 本章小结

第4 章 MXene/PANI 导电聚合物水凝胶体系的制备及微结构

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 制备 MXene/PANI-CPH

4.2.2 制备凝胶电解质

4.2.3 制备基于 MXene/PANI-CPH 的柔性全固态超级电容器

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5 章 PANI 基导电聚合物水凝胶的电化学性能研究

5.1 引言

5.2 结果与讨论

5.2.1 PANI/PA 导电聚合物水凝胶体系的超电容性能

5.2.2 MXene/PANI 导电聚合物水凝胶体系的超电容性能

5.2.3 基于不同导电聚合物水凝胶体系的柔性固态超级电容性能比较

5.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

附录 中英文缩略词