柔性超级电容器电极的制备与性能研究

发布时间：2017-03-20 20:10

  本文关键词：柔性超级电容器电极的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超级电容器具有安全无污染、电容量大、功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽等特点,是一种新型的能量储存设备。超级电容器的性能主要由电极的性能来决定。现在主要的电极材料有碳材料(碳纳米管、石墨烯、碳气凝胶等)、金属氧化物(二氧化锰、二氧化钛、五氧化二钒等)以及导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)。本论文以生物质纤维素为原材料,采用化学机械相结合制备纤维素纳米纤维,然后以碳纳米管、石墨烯和聚苯胺作为超级电容器电极基体材料,通过不同的复合工艺制备复合电极材料,并通过FE-SEM、FTIR、RAMAN、XRD以及电化学工作站等表征测试技术,对复合电极的表面形貌及电化学性能进行分析和研究。具体研究内容如下:1、将纤维素原材料通过化学预处理和一步研磨法处理,制备得到了纤维素纳米纤维(CNFs),并对研磨液进行超声处理,真空泵抽滤得到CNFs薄膜,并对其进行测试表征。研究表明:经过超声处理后,纤维的直径分布更加均匀,多分布在10~30nm,纤维素纳米纤维薄膜的透光率可以达到87.5%,拉伸强度从68.03MPa(研磨液制备的薄膜)提升到了109MPa。2、将不同质量比的碳纳米管和纤维素纳米纤维超声混合,经真空抽滤制备得到两者的复合薄膜,干燥后得到纤维素纳米纤维/碳纳米管复合电极,并对纤维素纳米纤维/碳纳米管电极进行相关性能的测试和表征。研究表明:两者相互交叉缠绕,对两者的分散性都起到了增强作用,两者质量比为1:1时,两者的结合性能最佳,电化学测试发现,纤维素纳米纤维/碳纳米管电极在电流密度为0.2A/g时可以达到35.9 F/g的比电容量,具有极好的电容性能和循环稳定性,在1A/g的电流密度下进行充放电1000次,比电容量可以保留96.8%。3、以盐酸为掺杂酸,过硫酸铵用作引发剂,采用不同的反应时间原位聚合制备得到导电聚苯胺,将聚苯胺与纤维素纳米纤维采用层层自组装的方式制备得到纤维素纳米纤维/聚苯胺复合电极,并对纤维素纳米纤维/聚苯胺电极进行相关性能的测试和表征。研究表明:聚苯胺的聚合时间为6小时导电率最好,电化学测试表明,纤维素纳米纤维/聚苯胺电极具有较高的比电容量,在0.2A/g的电流密度下,比电容量可以达到254.7 F/g的比电容量,电荷转移的内阻偏大,比电容量在1A/g电流密度下充放电1000次后,仅仅保留了57.6%。4、首先将纤维素纳米纤维/碳纳米管复合膜浸泡在苯胺的酸溶液中,然后滴加过硫酸铵的酸溶液引发聚合,将聚苯胺聚合到纤维素纳米纤维/碳纳米管复合膜的表面及内部,制备得到柔性可折叠的纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺复合电极,并对纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺电极进行相关性能的测试和表征。研究表明:纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺电极既具有碳纳米管极好的循环稳定性,又具备聚苯胺优异的赝电容性质,使得纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺电极在0.2A/g的电流密度下,比电容量可以达到216.0F/g,在电流密度为1A/g的条件下充放电1000次,比电容保留率为81.7%,可以作为柔性可折叠超级电容器的电极材料。5、将纤维素纳米纤维和碳纳米管超声混合得到混合液,在混合液中原位聚合聚苯胺,将聚苯胺包覆在纤维素纳米纤维和碳纳米管的表面,然后采用冷冻干燥的方法得到纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺气凝胶,随后将气凝胶冷压便得到纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺气凝胶薄膜电极,对纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺气凝胶薄膜电极进行相关性能的测试和表征。研究表明:纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺气凝胶薄膜电极由于其固有的质轻多孔的特性,大大提高了电解液的扩散和吸收,使得电荷转移内阻很小,并且具有较高的比电容量,在0.2A/g的电流密度下可以达到791F/g,另外,纤维素纳米纤维/碳纳米管/聚苯胺气凝胶薄膜电极的稳定性也很好,在4A/g的高电流密度下充放电3000次,比电容量保留初始比电容量的82%以上,是高容量超级电容器的理想电极材料。6、采用层层自组装的方法制备薄膜电极,在过程中将平面结构的石墨烯插层到复合材料中,制备得到纤维素纳米纤维/碳纳米管/石墨烯/聚苯胺复合电极材料,并对纤维素纳米纤维/碳纳米管/石墨烯/聚苯胺复合电极进行相关性能的测试和表征。研究表明:由于石墨烯的插层效果,使得复合电极材料的层结构较为疏松,减小了薄膜电极的内阻,由于石墨烯优异的稳定性,复合电极的循环稳定性得到大大的提高,循环1000次后比电容量依然保持在原始比电容量的94.3%以上,并且在0.2A/g的电流密度下可以达到623.1F/g的比电容量。
【关键词】：纤维素纳米纤维 碳纳米管 聚苯胺 石墨烯 超级电容器
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM53
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 超级电容器的概述14-16
• 1.1.1 超级电容器的简介14-15
• 1.1.2 超级电容器的原理15
• 1.1.3 超级电容器的特点及应用15-16
• 1.2 纤维素纳米纤维的概述16-19
• 1.2.1 纤维素纳米纤维的简介16-17
• 1.2.2 CNFs的制备方法17-18
• 1.2.2.1 酶解法17
• 1.2.2.2 酸水解法17
• 1.2.2.3 机械法17-18
• 1.2.2.4 生物法18
• 1.2.3 CNFs的应用18-19
• 1.2.3.1 造纸工业18
• 1.2.3.2 医药工业18
• 1.2.3.3 复合材料18-19
• 1.2.3.4 柔性导电基板材料19
• 1.3 碳纳米管的概述19-22
• 1.3.1 CNTs的性质19
• 1.3.2 CNT的制备19-20
• 1.3.2.1 电弧放电法20
• 1.3.2.2 激光烧蚀法20
• 1.3.2.3 化学气相沉积法20
• 1.3.3 CNT的应用20-22
• 1.3.3.1 锂离子电池电极材料20
• 1.3.3.2 超级电容器电极材料20-21
• 1.3.3.3 纳米电子器件21
• 1.3.3.4 复合增强材料21
• 1.3.3.5 储氢材料21
• 1.3.3.6 催化剂材料21
• 1.3.3.7 特殊吸附材料21
• 1.3.3.8 吸波材料21-22
• 1.4 聚苯胺的概述22-23
• 1.4.1 PAN的制备22-23
• 1.4.1.1 电化学法22
• 1.4.1.2 溶液法22
• 1.4.1.3 微乳液法22
• 1.4.1.4 超声化学法22-23
• 1.4.2 PAN的应用23
• 1.4.2.1 电极材料23
• 1.4.2.2 用于防静电23
• 1.4.2.3 用于电磁屏蔽23
• 1.4.2.4 用于防污23
• 1.4.2.5 电致变色元件23
• 1.5 石墨烯的概述23-27
• 1.5.1 石墨烯的制备24
• 1.5.1.1 微机械剥离法24
• 1.5.1.2 氧化还原法24
• 1.5.1.3 化学气相沉积法24
• 1.5.2 石墨烯在超级电容器方面的应用24-27
• 1.6 国内外研究现状27-28
• 1.7 本课题研究的目的和主要内容28
• 1.7.1 研究的目的28
• 1.7.2 研究的主要内容28
• 1.8 本课题的研究思路和创新点28-30
• 1.8.1 本课题的研究思路28-29
• 1.8.2 本课题的创新点29-30
• 第二章 纤维素纳米纤维的制备与性能分析30-39
• 2.1 引言30
• 2.2 实验部分30-34
• 2.2.1 实验原料30
• 2.2.2 实验设备30-31
• 2.2.3 纤维素纳米纤维的制备31-32
• 2.2.4 纤维素纳米纤维薄膜的制备32
• 2.2.5 测试分析方法32-34
• 2.2.5.1 FE-SEM分析32-33
• 2.2.5.2 纤维素纳米纤维直径分析33
• 2.2.5.3 FTIR分析33
• 2.2.5.4 UV分析33
• 2.2.5.5 RAMAN分析33
• 2.2.5.6 XRD分析33
• 2.2.5.7 机械性能分析33-34
• 2.3 结果与讨论34-38
• 2.3.1 FE-SEM分析34
• 2.3.2 纤维素纳米纤维直径分析34-35
• 2.3.3 FTIR分析35-36
• 2.3.4 UV分析36
• 2.3.5 RAMAN分析36-37
• 2.3.6 XRD分析37-38
• 2.3.7 机械性能分析38
• 2.4 本章小结38-39
• 第三章 纤维素纳米纤维与碳纳米管复合电极的制备与性能分析39-50
• 3.1 引言39
• 3.2 实验部分39-42
• 3.2.1 实验原料39
• 3.2.2 实验设备39-40
• 3.2.3 碳纳米管的分散40-41
• 3.2.4 纤维素纳米纤维/碳纳米管复合电极的制备41
• 3.2.5 测试与分析方法41-42
• 3.2.5.1 电导率分析41
• 3.2.5.2 FE-SEM分析41
• 3.2.5.3 FTIR分析41
• 3.2.5.4 RAMAN分析41
• 3.2.5.5 XRD分析41
• 3.2.5.6 电化学性能测试41-42
• 3.3 结果与讨论42-49
• 3.3.1 导电率分析42-43
• 3.3.2 SEM分析43-44
• 3.3.3 FTIR分析44-45
• 3.3.4 RAMAN分析45
• 3.3.5 XRD分析45-46
• 3.3.6 电化学性能分析46-49
• 3.3.6.1 循环伏安测试47
• 3.3.6.2 恒电流充放电测试47-48
• 3.3.6.3 交流阻抗测试48-49
• 3.3.6.4 循环稳定性测试49
• 3.4 本章小结49-50
• 第四章 纤维素纳米纤维与聚苯胺复合电极的制备与性能分析50-60
• 4.1 引言50
• 4.2 实验部分50-53
• 4.2.1 实验原料50
• 4.2.2 实验设备50-51
• 4.2.3 聚苯胺的制备51
• 4.2.4 纤维素纳米纤维/聚苯胺复合电极的制备51-52
• 4.2.5 测试与分析方法52-53
• 4.2.5.1 电导率分析52
• 4.2.5.2 RAMAN分析52
• 4.2.5.3 XRD分析52
• 4.2.5.4 FE-SEM分析52
• 4.2.5.5 FTIR分析52
• 4.2.5.6 电化学性能测试52-53
• 4.3 结果与讨论53-59
• 4.3.1 导电率分析53-54
• 4.3.2 RAMAN分析54
• 4.3.3 XRD分析54-55
• 4.3.4 SEM分析55-56
• 4.3.5 FTIR分析56-57
• 4.3.6 电化学性能分析57-59
• 4.3.6.1 循环伏安测试57
• 4.3.6.2 恒电流充放电测试57-58
• 4.3.6.3 交流阻抗测试58-59
• 4.3.6.4 循环稳定性测试59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 三元复合薄膜电极的制备与性能分析60-68
• 5.1 引言60
• 5.2 实验部分60-62
• 5.2.1 实验原料60
• 5.2.2 实验设备60-61
• 5.2.3 三元复合薄膜电极的制备61
• 5.2.4 测试与分析方法61-62
• 5.2.4.1 FE-SEM分析61
• 5.2.4.2 FTIR分析61
• 5.2.4.3 电化学性能测试61-62
• 5.3 结果与讨论62-67
• 5.3.1 SEM分析62-63
• 5.3.2 FTIR分析63-64
• 5.3.3 电化学性能分析64-67
• 5.3.3.1 循环伏安测试64
• 5.3.3.2 恒电流充放电测试64-65
• 5.3.3.3 交流阻抗测试65-66
• 5.3.3.4 循环稳定性测试66-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第六章 三元复合气凝胶电极的制备与性能分析68-78
• 6.1 引言68
• 6.2 实验部分68-71
• 6.2.1 实验原料68
• 6.2.2 实验设备68-69
• 6.2.3 三元复合气凝胶电极的制备69-70
• 6.2.4 测试与分析方法70-71
• 6.2.4.1 FE-SEM分析70
• 6.2.4.2 RAMAN分析70
• 6.2.4.3 XRD分析70
• 6.2.4.4 电化学性能测试70-71
• 6.3 结果与讨论71-77
• 6.3.1 SEM分析71-72
• 6.3.2 RAMAN分析72-73
• 6.3.3 XRD分析73-74
• 6.3.4 电化学性能分析74-77
• 6.3.4.1 循环伏安测试74-75
• 6.3.4.2 恒电流充放电测试75-76
• 6.3.4.3 交流阻抗测试76
• 6.3.4.4 循环稳定性测试76-77
• 6.4 本章小结77-78
• 第七章 石墨烯插层四元复合电极的制备与性能分析78-89
• 7.1 引言78
• 7.2 实验部分78-81
• 7.2.1 实验原料78
• 7.2.2 实验设备78-79
• 7.2.3 石墨烯的热还原制备79
• 7.2.4 石墨烯插层四元复合电极的制备79-80
• 7.2.5 测试与分析方法80-81
• 7.2.5.1 XPS分析80
• 7.2.5.2 RAMAN分析80
• 7.2.5.3 XRD分析80
• 7.2.5.4 FE-SEM分析80
• 7.2.5.5 电化学性能测试80-81
• 7.3 结果与讨论81-88
• 7.3.1 XPS分析81-82
• 7.3.2 RAMAN分析82-83
• 7.3.3 XRD分析83
• 7.3.4 SEM分析83-84
• 7.3.5 电化学性能分析84-88
• 7.3.5.1 循环伏安测试85
• 7.3.5.2 恒电流充放电测试85-86
• 7.3.5.3 交流阻抗测试86-87
• 7.3.5.4 循环稳定性测试87-88
• 7.4 本章小结88-89
• 第八章 结论与展望89-91
• 8.1 结论89-90
• 8.2 不足与展望90-91
• 攻读学位期间发表的学术论文91-92
• 参考文献92-105

【参考文献】

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