基于廉价碳毡的柔性电极的制作及其电化学性能研究
发布时间：2020-05-27 16:29
【摘要】：柔性储能器件制作的关键技术在于把电极柔性化,并通过器件封装工艺使之具有良好的环境适应性和化学稳定性。其中,电极材料的种类、结构、成分对器件的电化学性能有着决定性的影响。当前的大部分自支撑碳基电极材料存在合成路线复杂、成本较高的问题。本论文研究以廉价的商用碳毡(CF)为原材料,通过活化工序获得了高电化学活性的柔性电极材料,并基于这些柔性电极材料组装制备出了性能优异的柔性超级电容器和锌离子电池。其论文主要内容如下:(1)选用低成本的商用碳毡,通过碱液浸渍、冷冻真空干燥以及高温煅烧等过程得到了柔性活化碳毡材料(ACF)。活化后的ACF纤维表面产生了大量的微孔和介孔,这些多孔结构提升了材料的储能能力。对ACF进行电化学性能测试,在0.5 mA cm~(-2)电流密度下,其面积比容量高达1441 mF cm~(-2),高于绝大多数文献中报道的同类电极材料,显示了出色的电化学性能。将该ACF作为超级电容器的负极,碳布上电沉积MnO_2作为正极,组装了不对称超级电容器,其能量密度可达0.283 mWh cm~(-2)。为了探究ACF在实际应用中的可行性,使用聚乙烯醇凝胶电解液代替液态电解液,从而进一步制作了全固态不对称超级电容器,其能量密度仍可达0.104 mWh cm~(-2),并且保持了优异的抗弯曲性能。这些结果说明了ACF在制备柔性超级电容器方面具有很好的应用前景。(2)通过循环伏安法在ACF上进一步电沉积聚苯胺(PANI),得到了PANI@ACF复合材料。以PANI@ACF作为正极,金属Zn片作为负极,组装成锌离子电池PANI@ACF//Zn体系。ACF的双电层电容和PANI的氧化还原双重容量贡献提升了锌离子电池的比容量。在1.0 mA cm~(-2)的电流密度下,PANI@ACF//Zn的比容量分别为可达到106.9 mA h g~(-1)。用镀锌碳布Zn@CC代替金属Zn片作为柔性负极,组成的PANI@ACF//Zn@CC锌离子电池体系其比容量仅略有下降,为105.4 mA h g~(-1)。使用聚丙烯酰胺制备水凝胶电解液,进一步制作了全固态锌离子电池,其在0.3 mA cm~(-2)的电流密度下,比容量为25 mA h g~(-1)。这些结果表明了ACF及PANI@ACF复合材料在柔性锌离子电池应用方面具有较好潜力。
【图文】：
以普通打印纸作为衬底，首次实现了在打印电极上用化学刻蚀方式合成二维储能材料，制备方法如图1.1 所示。该电容在 10 mV s-1的扫描速率下，比容量为 384.2 mF cm-2，10000 次充放电循环后容量保持率仍有 80%。图 1.1 高性能纸基柔性纯固态超级电容器合成示意图Figure 1.1 Schematic of synthesis of high performance paper-based flexible solid state supercapacitor中科院大连化物所吴忠帅研究团队等[33]以碱化 MXene（MXenes 是二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的总称）纳米带作为硫负载基体（a-Ti3C2），以 d-Ti3C2纳米片作为中间层限制多硫化物的穿梭效应，从而构筑了全 MXene 基硫正极。最后以 PP 为柔性基底，先将 d-Ti3C2纳米片分散液在 PP 隔膜上抽滤成膜，得到 d-Ti3C2/PP薄膜；后将 a-Ti3C2-S 与导电剂、粘结剂一起混合均匀涂覆在 d-Ti3C2/PP 薄膜上，得5
图 1.2 使用 CVD 石墨烯膜的固态柔性 MG-MSC 的电极设计示意图Figure 1.2 Schematic of design of solid-state flexible MG-MSC electrode of using CVD graphene film武汉大学袁荃[39]成功地制备了一种具有良好倍率性能和循环稳定性的柔性核-壳式三明治状 CNT-Si-C 海绵体负极。其合成方法如下：首先通过 CVD 法合成了 CNT海绵，然后以该 CNT 海绵为基底，通过溶胶凝胶法合成核-壳式 CNT SiO2，最后以金属镁粉为还原剂，以镁热还原反应将 SiO2还原，从而制得了核-壳式三明治状CNT-Si-C 海绵体。合成路线如图 1.3 所示。将材料作为锂离子电池柔性电极时，展示了优异的电化学性能。电流密度为0.5 A g-1时，首次放电比容量可达2100 mAh g-1，500 次循环后容量仍有 1800 mAh g-1，展现了优异的循环稳定性。当电流密度增大到4 A g-1时，其放电容量可以保持在 1700 mAh g-1，，而电流密度重新回到 0.5 A g-1时，容量恢复到了初始容量，表现出了出色的倍率性能。
【学位授予单位】：浙江农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TM912;O646.5
本文编号：2683814
【图文】：
以普通打印纸作为衬底，首次实现了在打印电极上用化学刻蚀方式合成二维储能材料，制备方法如图1.1 所示。该电容在 10 mV s-1的扫描速率下，比容量为 384.2 mF cm-2，10000 次充放电循环后容量保持率仍有 80%。图 1.1 高性能纸基柔性纯固态超级电容器合成示意图Figure 1.1 Schematic of synthesis of high performance paper-based flexible solid state supercapacitor中科院大连化物所吴忠帅研究团队等[33]以碱化 MXene（MXenes 是二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的总称）纳米带作为硫负载基体（a-Ti3C2），以 d-Ti3C2纳米片作为中间层限制多硫化物的穿梭效应，从而构筑了全 MXene 基硫正极。最后以 PP 为柔性基底，先将 d-Ti3C2纳米片分散液在 PP 隔膜上抽滤成膜，得到 d-Ti3C2/PP薄膜；后将 a-Ti3C2-S 与导电剂、粘结剂一起混合均匀涂覆在 d-Ti3C2/PP 薄膜上，得5
图 1.2 使用 CVD 石墨烯膜的固态柔性 MG-MSC 的电极设计示意图Figure 1.2 Schematic of design of solid-state flexible MG-MSC electrode of using CVD graphene film武汉大学袁荃[39]成功地制备了一种具有良好倍率性能和循环稳定性的柔性核-壳式三明治状 CNT-Si-C 海绵体负极。其合成方法如下：首先通过 CVD 法合成了 CNT海绵，然后以该 CNT 海绵为基底，通过溶胶凝胶法合成核-壳式 CNT SiO2，最后以金属镁粉为还原剂，以镁热还原反应将 SiO2还原，从而制得了核-壳式三明治状CNT-Si-C 海绵体。合成路线如图 1.3 所示。将材料作为锂离子电池柔性电极时，展示了优异的电化学性能。电流密度为0.5 A g-1时，首次放电比容量可达2100 mAh g-1，500 次循环后容量仍有 1800 mAh g-1，展现了优异的循环稳定性。当电流密度增大到4 A g-1时，其放电容量可以保持在 1700 mAh g-1，，而电流密度重新回到 0.5 A g-1时，容量恢复到了初始容量，表现出了出色的倍率性能。
【学位授予单位】：浙江农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TM912;O646.5
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 徐浩;延卫;冯江涛;;聚苯胺的合成与聚合机理研究进展[J];化工进展;2008年10期
本文编号：2683814
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