柔性超级电容器关键技术研究

发布时间：2018-01-26 07:34

本文关键词： 微型超级电容器碳纳米管离子交换法柔性电子学纸基电子器件聚酰亚胺　出处：《华东师范大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：最近,便携式和可穿戴电子设备成为了柔性电子学领域的研究热点。其中小尺寸、低成本的柔性传感器芯片可用于医疗、物流、气候检测等多种领域。为了使大量传感器构成的系统能够长期、有效工作,传感器需要配备高功率/能量密度的微型化能源。因此,微型能源器件成为微型传感系统研究的核心问题之一。相比微电池而言,微型超级电容器具有更高的功率密度和更长的使用寿命。围绕着微型超级电容器应用的新工艺和新材料,学界已经展开了大量的研究。本文以柔性超级电容器为研究对象,结合表面修饰离子交换金属化(SMIE)等工艺,研究了聚合物衬底和纸基衬底上高性能超级电容器的制备和机理。本文研究内容如下:第一,对柔性超级电容器的研究现状、工作原理、测试理论、计算方法以及表征手段进行了详细的探讨;结合W.Othuis电池常数方程和B.E.Conway的电化学模型,建立了微型超级电容器的模拟公式;通过对循环伏安曲线的模拟,详细讨论了器件几何参数、比电容、集流体内阻等各种因素对其电化学行为的影响,为超级电容器的设计提供理论依据。在此基础上,本文提出了一种基于特征放电电压线性关系的评估方法。第二,在柔性聚酰亚胺表面,采用SMIE技术,结合干膜、喷墨打印等图形化技术,在室温条件下,制备了微型超级电容器。器件是采用叉指电极的全固态薄膜结构,由室温SMIE技术制备的银层充当集流体而多壁碳纳米管(MWNTs)作为活性材料。采用PVA/H3P04固态电解质,柔性微型超级电容器的比电容达到2.64 mF cm~(-2),可以在扫描速度200 V s~(-1)下工作,能量密度和功率密度分别达到0.001Wh cm~(-3)和57.8 W cm~(-3)。此外,器件具有很好的电化学和力学稳定性,可以承受15000次循环充放电和16000次力学弯曲,性能无明显下降。结合理论模型,讨论了微型超级电容器的工作机理。第三,创新性地提出了 SMIE技术结合浸镀工艺制备Ag@Au(AOA)柔性电极,以替代微型超级电容器中常用的金集流体。相比SMIE技术制备的银电极,AOA同样具有高柔性,但是具有更稳定的化学性质和更好的抵抗电化学过程侵蚀的能力。研究了 AOA电极组成的平板式超级电容器,其比电容达到5.7mF cm~(-2)。利用电化学阻抗谱测得电容器最大相角为-75°、特征频率为3 Hz。采用简单的刀片切割方法,获得电极间隙为50 μm的AOA微型超级电容器。该超级电容器在经历15000次循环充放电后,比电容数值上仅损失3.5%。本研究为大规模制备高性能、高稳定性的柔性集流体提供了一种解决方法。第四,探索了聚酰亚胺酸在制备微型超级电容器电极中的应用。采用光刻方法,结合低温溶液方法的SMIE技术,获得了最小线宽在10 μm的银电极。提出两种生长模型,详细讨论了电极金属化机理。采用电镀方法,进一步增强银化学稳定性。结果表明,基于聚酰亚胺酸所制备的银膜,表面积为纯银片的310%-450%;随着电镀时间的增加,电极表面积逐渐降低为150%-290%。制备了微型超级电容器,并系统分析了其充放电特性。本研究为SMIE技术以及在超级电容器中的应用提供了指导方案。第五,研究了基于铅笔石墨的全干法工艺,制备了纸基超级电容器。提出将铅笔石墨与MWNTs通过机械方法直接组装成graphite@MWNT复合结构的方案,分析了石墨与碳管的结合方式。采用不同的graphite@MWNT复合结构作为电极,创新性地制备了 graphite@MWNT/纸/graphite@MWNT三明治式的纸基集成超级电容器。纸不仅充当衬底,而且用作超级电容器的隔膜。所制备的纸基电容器比电容为13.2 mF cm~(-2),可以在150 V s~(-1)的充放电速度下工作,功率密度高达15.1 W cm~(-3),是目前文献所报道的纸基超级电容器中最高的。制备的超级电容器,可以驱动LED发光和蓝牙传感器系统工作。论文也研究了将该技术与MnO2、石墨烯等材料结合,以拓展该技术在新型能源器件中应用的可能性。作为总结,该论文围绕低成本、可集成的微型能源器件展开,研究结果可以为今后柔性电子应用突破提供新的视野。
[Abstract]:In this paper , the preparation and mechanism of high - performance supercapacitors on polymer substrates and paper - based substrates have been studied by using flexible super capacitor as the research object and the electrochemical model of surface modified ion exchange metalization ( SMIE ) . A micro - super capacitor is prepared by using different graphite @ MWNT composite structure as an electrode . The results show that the electrode surface area is about 310 % -450 % of the pure silver film . The results show that the electrode surface area is about 150 % -290 % . The paper also studies the application of the technology in the preparation of high performance and high stability flexible current collector .

【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53

【参考文献】