柔性石墨烯/聚苯胺超级电容器电极材料的制备及性能研究
发布时间：2020-12-14 09:17
便携式、可穿戴设备的快速发展,柔性超级电容器因体积小,充电时间短、功率密度高、循环稳定性强、绿色友好等优点备受青睐。石墨烯具有优异的电/热导率、柔韧性和稳定性,聚苯胺（PANI）作为导电聚合物,具有易加工性和良好的电化学活性,融合二者优点的石墨烯/PANI复合材料既有优异的柔性/形变性能,又可以保持优异的电化学性能,成为当前研究最活跃的柔性电极候选材料之一。本文主要包括以下三部分:一、柔性石墨烯/聚苯胺纸的简易制备及电化学性能研究:利用简单的机械混合、真空抽滤法,通过调节氧化石墨烯（GO）前驱体和苯胺单体的质量比,在GO片层间低温原位聚合聚苯胺,经氢碘酸蒸汽还原后,得到自支撑柔性石墨烯/聚苯胺复合纸（简称rGP）。实验结果显示,当GO:An=3:1（质量比）时,柔性电极的质量、面积比电容分别达到493 F/g、692.8 mF/cm2,经过10000次循环后,电容保持率约为82%,并且真空抽滤法简单可控,可适用于大规模生产。二、柔性多孔石墨烯/聚苯胺纸的制备及电化学性能研究:采用H2O2对GO纳米片进行面内打孔,得到多孔...
【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双电层电容器模型
内蒙古科技大学硕士学位论文-5-柔性超级电容器是超级电容器的一种，与一般超级电容器的区别在其具有体积孝质量轻、可弯曲、可编织等一系列特点。目前研究最多的柔性超级电容器结构主要有三种：线型结构、平面二维结构和三明治结构[22]。图1.3柔性超级电容器结构（a）三明治结构；（b）平面二维结构（c）线型缠绕结构[23]；（d）线型同轴结构[24]（1）线型结构线型结构通常有两种：缠绕结构和同轴结构，如图1.3（c）、（d）所示。线型缠绕结构是由两个线型电极经过一定方式相互缠绕组装而成，制备工艺简单，而且成本也较低；而线型同轴结构柔性电容器，顾名思义，电极与电解质围绕同一个轴覆盖，电解质夹在两电极之间。与线型缠绕结构相比，该结构中电极材料能够全部接触电解质，离子在电极/电解液界面的穿梭和积累更加频繁，所以有更高的储能效率[25]。但它的制备工艺比较繁琐，器件组装成本较高。综上所述，一维线型结构的柔性电容器在制备可弯曲柔性编织器件上优势明显，在柔性储能中发挥重大作用。Song[26]等通过电化学刻蚀法制备了全方位多孔铝作为负极材料和集流体，负载膨胀石墨的铝丝作为正极材料，加入隔膜后平行放入热缩管中，注射电解液并用PDMS密封，制备了线型缠绕型结构的柔性电容器，该电容器能够在弯曲不同角度和不同次数下有较高的容量保持率。彭慧胜课题组[27]用CNT纤维为轴，作为一个电极，电极材料选用CNT薄膜，涂覆凝胶电解质，最后包裹一层CNT薄膜后，再涂覆凝胶电解质对体系封装，组装了同轴式柔性超级电容器。制备的该柔性超级电容器，可输出比电容值为29μF/cm2，能量密度为1.88Wh/kg。
内蒙古科技大学硕士学位论文-7-（2）柔性可穿戴织物[32]，如智能服装，纺织物具有足够大的表面积，能够有效地利用活性储能材料，同时也可以与其他终端产品进行更好的整合；（3）生物医学传感器[33]：如应用于健康检测系统，较大的形变能力能够进行应力集中，非平面表面的正规集成，紧贴人体皮肤。1.2超级电容器柔性电极研究1.2.1超级电容器柔性电极种类要实现器件的柔性化，就必须考虑材料对不同构件的不同性能要求，以减轻变形过程中不可避免的应变失配和分层，一般超级电容器在遭受弯曲变形以后，高分子电解质层保持良好，电极材料结构往往被破坏，储能特性下降。电极材料力学性能的欠缺，严重限制了超级电容器在柔性可穿戴领域的应用。因此，兼具力学特性与储能特性的柔性电极材料有着举足轻重的作用。超级电容器的柔性电极，是通过一定的方法将活性物质与柔性基底相结合，常见的柔性电极有以下几种[8]：（1）碳基柔性电极碳基材料是双电层电极材料的最佳选择，有着良好的循环性能且形式多样，常见的碳材料有活性炭、炭纳米管、石墨烯、介孔碳等[34]。其中石墨烯因其良好的电学、力学性能得到广泛研究。石墨烯（Graphene），又称为“黑金”，首次出现是在2004年，是由AndreK.Geim和他的同事KonstantinNovoselov通过胶带纸剥离出来的[40]，并在当时的学术界引起很大的反响。图1.4石墨烯的结构图如图1.4所示，石墨烯是碳原子以六方晶格结构堆积而成单层石墨片，比表面积达2630m2/g[35]，其中碳原子的杂化方式为sp2杂化，相邻的两个C原子之间用σ键，存在s、px、py三个杂化轨道，因此具有优异的力学性能，其强度约为42N/m，杨氏模量约
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯/聚苯胺纳米片复合薄膜性能的研究[J]. 刘承喆,刘美丽,唐晓宁. 塑料工业. 2019(08)
[2]CNTs/PANI复合水凝胶电极材料的制备及电化学性能研究[J]. 牛丽丽,王培,刘彦彬,杨兆昆,程敬泉,高志华. 塑料科技. 2019(12)
[3]电化学法制备的聚苯胺/石墨烯复合材料的微结构及性能研究[J]. 王新海,马珍珍. 现代化工. 2019(05)
[4]超级电容器电极材料及器件的柔性化与微型化[J]. 董文举,孔令斌,康龙,冉奋. 材料导报. 2018(17)
[5]特别调查:储能产业风口来了吗?[J]. 李帅,余娜. 能源. 2017(07)
[6]功能化石墨烯/聚苯胺复合电极材料的制备和电化学性能[J]. 汪丽丽,邢瑞光,张邦文,侯渊. 物理化学学报. 2014(09)
[7]Recent advances in graphene-based planar micro-supercapacitors for on-chip energy storage[J]. Zhong-Shuai Wu,Xinliang Feng,Hui-Ming Cheng. National Science Review. 2014(02)
[8]Pt微粒修饰纳米纤维聚苯胺电极对甲醇氧化电催化[J]. 周海晖,焦树强,陈金华,魏万之,旷亚非. 物理化学学报. 2004(01)
博士论文
[1]高性能可穿戴水系超级电容器的结构设计及储能机理探究[D]. 赵浩.兰州大学 2018
硕士论文
[1]多孔碳—石墨烯复合材料的制备及电化学性能研究[D]. 李青娅.天津大学 2018
[2]基于石墨烯柔性超级电容器电极材料及器件研究[D]. 周乾隆.电子科技大学 2016
本文编号：2916190
【文章来源】：内蒙古科技大学内蒙古自治区
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双电层电容器模型
内蒙古科技大学硕士学位论文-5-柔性超级电容器是超级电容器的一种，与一般超级电容器的区别在其具有体积孝质量轻、可弯曲、可编织等一系列特点。目前研究最多的柔性超级电容器结构主要有三种：线型结构、平面二维结构和三明治结构[22]。图1.3柔性超级电容器结构（a）三明治结构；（b）平面二维结构（c）线型缠绕结构[23]；（d）线型同轴结构[24]（1）线型结构线型结构通常有两种：缠绕结构和同轴结构，如图1.3（c）、（d）所示。线型缠绕结构是由两个线型电极经过一定方式相互缠绕组装而成，制备工艺简单，而且成本也较低；而线型同轴结构柔性电容器，顾名思义，电极与电解质围绕同一个轴覆盖，电解质夹在两电极之间。与线型缠绕结构相比，该结构中电极材料能够全部接触电解质，离子在电极/电解液界面的穿梭和积累更加频繁，所以有更高的储能效率[25]。但它的制备工艺比较繁琐，器件组装成本较高。综上所述，一维线型结构的柔性电容器在制备可弯曲柔性编织器件上优势明显，在柔性储能中发挥重大作用。Song[26]等通过电化学刻蚀法制备了全方位多孔铝作为负极材料和集流体，负载膨胀石墨的铝丝作为正极材料，加入隔膜后平行放入热缩管中，注射电解液并用PDMS密封，制备了线型缠绕型结构的柔性电容器，该电容器能够在弯曲不同角度和不同次数下有较高的容量保持率。彭慧胜课题组[27]用CNT纤维为轴，作为一个电极，电极材料选用CNT薄膜，涂覆凝胶电解质，最后包裹一层CNT薄膜后，再涂覆凝胶电解质对体系封装，组装了同轴式柔性超级电容器。制备的该柔性超级电容器，可输出比电容值为29μF/cm2，能量密度为1.88Wh/kg。
内蒙古科技大学硕士学位论文-7-（2）柔性可穿戴织物[32]，如智能服装，纺织物具有足够大的表面积，能够有效地利用活性储能材料，同时也可以与其他终端产品进行更好的整合；（3）生物医学传感器[33]：如应用于健康检测系统，较大的形变能力能够进行应力集中，非平面表面的正规集成，紧贴人体皮肤。1.2超级电容器柔性电极研究1.2.1超级电容器柔性电极种类要实现器件的柔性化，就必须考虑材料对不同构件的不同性能要求，以减轻变形过程中不可避免的应变失配和分层，一般超级电容器在遭受弯曲变形以后，高分子电解质层保持良好，电极材料结构往往被破坏，储能特性下降。电极材料力学性能的欠缺，严重限制了超级电容器在柔性可穿戴领域的应用。因此，兼具力学特性与储能特性的柔性电极材料有着举足轻重的作用。超级电容器的柔性电极，是通过一定的方法将活性物质与柔性基底相结合，常见的柔性电极有以下几种[8]：（1）碳基柔性电极碳基材料是双电层电极材料的最佳选择，有着良好的循环性能且形式多样，常见的碳材料有活性炭、炭纳米管、石墨烯、介孔碳等[34]。其中石墨烯因其良好的电学、力学性能得到广泛研究。石墨烯（Graphene），又称为“黑金”，首次出现是在2004年，是由AndreK.Geim和他的同事KonstantinNovoselov通过胶带纸剥离出来的[40]，并在当时的学术界引起很大的反响。图1.4石墨烯的结构图如图1.4所示，石墨烯是碳原子以六方晶格结构堆积而成单层石墨片，比表面积达2630m2/g[35]，其中碳原子的杂化方式为sp2杂化，相邻的两个C原子之间用σ键，存在s、px、py三个杂化轨道，因此具有优异的力学性能，其强度约为42N/m，杨氏模量约
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯/聚苯胺纳米片复合薄膜性能的研究[J]. 刘承喆,刘美丽,唐晓宁. 塑料工业. 2019(08)
[2]CNTs/PANI复合水凝胶电极材料的制备及电化学性能研究[J]. 牛丽丽,王培,刘彦彬,杨兆昆,程敬泉,高志华. 塑料科技. 2019(12)
[3]电化学法制备的聚苯胺/石墨烯复合材料的微结构及性能研究[J]. 王新海,马珍珍. 现代化工. 2019(05)
[4]超级电容器电极材料及器件的柔性化与微型化[J]. 董文举,孔令斌,康龙,冉奋. 材料导报. 2018(17)
[5]特别调查:储能产业风口来了吗?[J]. 李帅,余娜. 能源. 2017(07)
[6]功能化石墨烯/聚苯胺复合电极材料的制备和电化学性能[J]. 汪丽丽,邢瑞光,张邦文,侯渊. 物理化学学报. 2014(09)
[7]Recent advances in graphene-based planar micro-supercapacitors for on-chip energy storage[J]. Zhong-Shuai Wu,Xinliang Feng,Hui-Ming Cheng. National Science Review. 2014(02)
[8]Pt微粒修饰纳米纤维聚苯胺电极对甲醇氧化电催化[J]. 周海晖,焦树强,陈金华,魏万之,旷亚非. 物理化学学报. 2004(01)
博士论文
[1]高性能可穿戴水系超级电容器的结构设计及储能机理探究[D]. 赵浩.兰州大学 2018
硕士论文
[1]多孔碳—石墨烯复合材料的制备及电化学性能研究[D]. 李青娅.天津大学 2018
[2]基于石墨烯柔性超级电容器电极材料及器件研究[D]. 周乾隆.电子科技大学 2016
本文编号：2916190
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