面向可穿戴电子设备应用需求的柔性超级电容器的研究

发布时间：2018-09-06 06:28

【摘要】：超级电容器,作为一种介于传统电化学电池和传统电容器之间的新型储能装置,因其高功率密度、快速充放电能力,超长循环寿命以及环境友好等优点已经引起了大量研究者的关注。为了满足便携,可穿戴式电子设备的发展需求,柔性固态超级电容器逐渐成为目前的研究重点。本论文围绕CNT/MnO2NT、CNT@PPy以及AgNW/WO3等复合材料的设计、合成制备以及它们在柔性储能器件和柔性变色器件方面的应用展开了系统的探索与深入的研究。所取得的主要结论如下:1.设计并合成制备了基于CNT/MnO2NT的复合柔性电极,这种具有自支撑结构的复合电极,不仅展现了优异的柔韧性,还有效提高了电极的整体比容量。使用此电极所制得的柔性固态超级电容器,在功率密度为13.8 mW/cm3时,其能量密度可以达到0.45 mWh/cm3。同时,利用该器件的高容量和高柔性,设计并制作了电子手表的储能表带原型,成功实现了为电子手表的长时间供能,显示了其在可穿戴电子设备方面的应用潜能。2.利用电化学聚合沉积技术在CNT表面上成功负载PPy,并与之形成稳定的核壳结构。在这种特殊结构的影响下,CNT与PPy之间产生协同效应,使得复合电极在机械强度和电化学活性方面都得到了大幅提升:抗拉伸强度达到了16 MPa,比容量也达到了CNT电极的5.6倍。最后,基于此复合电极成功制备出了柔性固态超级电容器,在电流密度为0.05A/cm3时,该超级电容器的体积比容量高达4.9 F/cm3,同时展现了极其优异的柔韧性和循环稳定性,10000次循环后仍保留了95%的初始容量。3.设计了一种新的高导电柔性透明基底的制备方法,并基于此方法制备了AgNW/WO3复合柔性变色电极。系统的表征测试显示该电极在波长为633 nm处的光透射率可以从初始的55.9%降到11.8%,同时其着色效率可以高达80.2 cm2/C;在扫速为10 mV/s时,其面积比电容为13.6 mF/cm2。该电极的成功制备可有效促进新型柔性储能变色器件的发展。
[Abstract]:Supercapacitors, as a new type of energy storage device between conventional electrochemical batteries and conventional capacitors, have high power density, rapid charge and discharge capacity. The advantages of super long cycle life and environmental friendliness have attracted much attention. In order to meet the needs of portable and wearable electronic devices, flexible solid-state supercapacitors have gradually become the focus of research. This thesis focuses on the design, synthesis and fabrication of CNT/MnO2NT,CNT@PPy and AgNW/WO3 composites, and their applications in flexible energy storage devices and flexible chromotropic devices. The main conclusions are as follows: 1. The composite flexible electrode based on CNT/MnO2NT was designed and synthesized. The composite electrode with self-supporting structure not only showed excellent flexibility, but also effectively improved the overall specific capacity of the electrode. When the power density is 13.8 mW/cm3, the energy density of the flexible solid-state supercapacitor can reach 0.45 mWh/cm3.. At the same time, using the high capacity and high flexibility of the device, the prototype of the energy storage watch band of the electronic watch is designed and fabricated. The long time energy supply for the electronic watch is successfully realized, and the application potential of the watch in wearable electronic equipment is shown. PPy, was successfully loaded on the surface of CNT by electrochemical polymerization and formed a stable core-shell structure. Under the influence of this special structure, the synergistic effect between CNT-CNT and PPy resulted in a significant increase in the mechanical strength and electrochemical activity of the composite electrode. The tensile strength reached 16 MPa, and the specific capacity of the CNT electrode was 5.6 times higher than that of the CNT electrode. Finally, a flexible solid-state supercapacitor is successfully fabricated based on the composite electrode. When the current density is 0.05A/cm3, The volume specific capacity of the supercapacitor is as high as 4.9 F / cm ~ 3, and the initial capacity of 95% is retained after 10000 cycles with excellent flexibility and cyclic stability. A new preparation method of high conductive flexible transparent substrate was designed and the AgNW/WO3 composite flexible chromotropic electrode was prepared based on this method. The system characterization tests show that the optical transmittance of the electrode at wavelength of 633 nm can be reduced from 55.9% to 11.8%, and the coloring efficiency of the electrode can reach 80.2 cm2/C; with a specific capacitance of 13.6 mF/cm2. at a sweep speed of 10 mV/s. The successful fabrication of the electrode can effectively promote the development of new flexible energy storage and chromotropic devices.
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53

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本文编号：2225535