基于活性碳纤维布的准固态柔性超级电容器研究

发布时间：2019-08-04 13:04

【摘要】：便携式电子设备的高速发展,对储能器件提出了更高的要求,不仅要能储存更多的能量,而且需要具有机械韧性,甚至是柔软的。目前市场上没有一款储能产品能够实现这一功能,因此我们设计了一系列基于碳布的柔性超级电容器,期望能够满足市场对柔性储能产品的需求。本研究选用商用高导电性活性碳纤维布作为基底材料,通过电化学活化、化学气相沉积法和高温锻烧等物理化学方法提高碳布电化学性能,或者复合电化学活性材料(碳纳米管、过渡金属氧化物),作为柔性超级电容器的电极材料;使用凝胶电解质,组装成一系列柔性全固态储能器件。具体为活化碳布组装的超级电容器(S1)、纳米镍颗粒/多壁碳纳米管对称型赝电容超级电容器(S2)和金属氧化物膜/多壁碳纳米管非对称型全赝电容超级电容器(S3)。器件S1将碳纤维布2V恒电压阳极氧化后,通过1000℃以上高温锻烧处理,其容量较未处理的碳布提高了 100倍以上,其面积容量可以达到0.01mAh/cm2,且制作工艺简单环保,适合工业化量产。器件S2使用一步合成的纳米镍颗粒/多壁碳纳米管作为同样的正、负极,既能利用嵌入其中的高活性镍颗粒在正电压区间的法拉第电容,又可以利用碳纳米管在负电压区间的双电层电容,且通过调配二者容量相当,实现容量利用率最大化,在恒电流测试条件下,电流密度为50 mA/cm2时,其电容量为0.288 F/cm2。使用两个完全相同的Ni//CNTs电极组装成对称型超级电容器,充电仅五秒后,能成功地驱动一个小型电动马达持续转动1分钟。本研究首次制成了可不区分正负极、正反向均能充电的对称型赝电容超级电容器。器件S3使用包覆过渡金属氧化物活性材料(氧化镍和氧化铁)的稠密网状多壁碳纳米管分别作为正、负极,提高导电碳布的空间利用率,且通过正负极法拉第反应,提供更大的赝电容容量,在恒电流测试条件下,电流密度为5 mA/cm2时,正极电容量为2.23 F/cm2,负极电容量为2.42 F/cm2。具有稳定的放电电压1.2 V,其能量密度与电池相当,全电容能量密度可达1 mAh/cm2。该系列储能器件均具有优异的机械柔韧性,倍率性能高,循环性优越,并各有特色,适用于不同的场合,具有广泛的市场应用前景。
【图文】：

Ｔｉｍｅ（Ｓｅｃ）逦Ｔｉｍｅ（Ｓｅｃ）逡逑图２－１邋（ａ）为在＋２．５Ｖ恒电位极化１０分钟下极化电流随时间的变化，（ｂ）为在－２．５Ｖ恒电逡逑位极化１０分钟下极化电流随时间的变化。逡逑

基于活性碳纤维布的准固态柔性超级电容器研究

绗宦畚模X妇3Y嵬ＡＳＴＥＲ＇ＳP裕龋牛樱桑樱]3?将正电位极化后的碳布继续在硫酸中负电位－２．５Ｖ极化１０分钟，，从图２－１邋（ｂ）逡逑极化电流随时间的变化数据可以看出，与正电位极化刚好相反，极化电流绝对值随逡逑着时间增大，说明在负电位极化过程中，碳布电阻变小。原因是在负电位碳布部分逡逑表面官能团得到电子被还原成碳，失去含氧官能团后碳布含导电性变好。逡逑ｍｍ＾：｝邋：－邋■逡逑Ｉ逡逑■邋：Ｍ逡逑图２－２邋（ａ）、（ｂ）、（ｃ）和（ｄ）分别为未处理纯碳布、正电位极化后碳布、负电位极化后碳布和逡逑高温煅烧后的碳布的扫描电子显微镜照片。逡逑为了进一步改善恒电压极化后碳布的导电性，将碳布在管式炉中惰性气体氛围逡逑保护下，１１００°Ｃ高温锻烧３０分钟，完全除去其表面的含氧官能团。未处理碳布、逡逑正电位极化后碳布、负电位极化后碳布以及高温煅烧处理后的碳布纤维表面扫描电逡逑子显微镜（ＳＥＭ）照片分别如图２－２所示。图中可看出，恒电位极化过程碳布并未逡逑对碳布纤维表面结构产生明显改变，在１００００倍放大倍率下，正、负电位极化后的逡逑碳布纤维表面与未处理碳布纤维表面没有明显区别。但是１１００°高温qF烧处理后的逡逑＇碳布纤维表面发生明显的变化
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53

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