可印刷和多功能超级电容器研究

发布时间：2020-11-20 18:40

　　 超级电容器(SC),又名电化学电容器,是当前新式储能器件。相比以碱锰、银锌等为代表的一次性电池和以镍镉、镍氢、高铁、锂离子等为代表的二次电池,SC因为具有更高的功率密度、更快速的充放电速率、更长的使用寿命、更高的安全性等优势,所以在诸多领域,例如电动汽车、航空航天、信息技术、便携可穿戴电子器件等,有着广阔的应用前景。但是,SC在这些应用中仍然存在很多实际问题:器件制备成本高,批量化生产和工业化应用困难;器件容易受到机械变形和损伤,导致稳定性不够好,寿命不够长;在一些实际应用领域,器件电极活性材料载量低,不能满足高能量和高功率需求;器件功能单一,不能满足丰富多彩的生活需求,不能与时代的发展同步。针对这几个问题我们从以下几个方向开展研究:第一,探索廉价的喷墨打印和网版印刷技术制备SC;第二,研制具有可拉伸和自修复功能的SC;第三,研制其它功能(如光探测)集成的垂直叉指非对称超级电容器(VFASC)。本文主要研究内容和创新点如下:1.开发出高度分散的银-多壁碳纳米管(Ag-MWCNT)和二氧化锰(MnO_2)-Ag-MWCNT墨水,并优化出最佳的墨水浓度。采用喷墨打印技术制备出Ag-MWCNT导电模块和MnO_2-Ag-MWCNT正极。最终,成功组装出非对称超级电容器(ASC)。测试表明:喷墨打印50次后,导电模块方阻小于300Ω/sq,并且弯曲稳定性好;正极展现出高的体积比电容(30.5 F/cm~3)和低的ESR(8.1Ω);组装成的ASC窗口电压高达1.8 V,能量密度高达1.28 mWh/cm~3(功率密度为96 mW/cm~3),在3000次充放电循环后的电容保存高达96.9%。2.开发出粘度适合的碳、MnO_2-MWCNT和三氧化钼(MoO_3)-MWCNT油墨。采用网版印刷技术制备出柔性导电碳电极、MnO_2-MWCNT正极和MoO_3-MWCNT负极。最终,成功组装出ASC。测试表明:柔性导电电极导电和弯曲性能好;正极体积比电容高达81.7 F/cm~3(扫速为1mV/s),能量密度高达4.81 mWh/cm~3(功率密度为228.4 mW/cm~3);负极体积比电容高达49.5 F/cm~3(扫速为2 mV/s),能量密度高达4.89 mWh/cm~3(功率密度为262.3 mW/cm~3);组装成的ASC窗口电压高达1.7 V,能量密度高达11.04 mWh/cm~3(功率密度为614.6 mW/cm~3),在5000次充放电循环后的电容保存高达91.3%。3.研制出本征可拉伸的聚吡咯(PPy)-还原氧化石墨烯(RGO)-MWCNT纤维弹簧。采用自修复聚氨酯作为保护壳,组装出可拉伸和自修复的纤维SC。器件展示出优良的拉伸和自修复性能:拉伸100%,电容保存为82.4%;自修复3次,电容保存为54.2%;3000次充放电循环后,修复后的器件电容仅下降16%;修复后的器件驱动钙钛矿纳米线光探测器,探测器性能没有明显衰减。通过同时赋予SC拉伸和自修复功能,可以有效地缓冲外界带来的机械应变和自愈受到的损伤,提高SC的可行性、稳定性和寿命。4.设计并实现了内部集成光探测功能的VFASC。VFASC相比传统平面SC具有以下优势:更小层间距和更低离子传输阻抗;更大接触面积,以便充分利用活性材料;内部集成光探测系统。VFASC的电极载量增加至初始的5倍时,器件比电容增加了44%。本研究为高负载和高性能SC的研制提供了很好的思路。VFASC负极材料采用光电性能较好的MoO_3纳米线,因此不需要外部连接系统,器件就具有光探测的功能,这样大大节省了能源和空间,简化了集成器件的结构。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM53
【部分图文】：

因此强烈地依赖于电解质和电极容，其电容依靠电极表面发生的快速且可逆的氧化还原反应和无相变型离子快速嵌入与脱嵌能机理，即一极（传统的电池电极）通过电化双电层材料）则通过双电层来储存能量。容器的工作机理主要靠电极与电解液界面间可逆的纯静电荷积稳定性和功率密度。整个器件由正负电极（包离子和阴离子混合溶液）以及为了防止短路而夹示意图如图 1.1 所示。当施加外加电压时，阳离，这样在这两个平行的区域产生了双电层。双容器。这些电容器在开路时保持充电状态[35]。

中 科 技 大 学 博 士 学 位 dACr0εε= 双电层内部介电常数，0ε 为真空介电常数， A为电此可见，双电层电容与有效接触面积（电解质和电成正比和反比。双电层的厚度一般在纳米量级，因得多。ltz 模型过于简单，与很多实际情况相矛盾。考虑到电中连续分布（阴阳离子在热驱动下不可能完全紧贴在提出分散层理论。如图 1.2（b）所示，靠近电极表面随着与电极表面距离增加，带相反电荷的离子浓度连续状态，形成一个扩散层。

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论n 层又可以细分为内和外 Helmholtz 平面，即 IHP 和 OHP离子和带相反电荷非特定吸附的离子组成，分布于 IHP分布于 OHP 上是非特定吸附的离子。因此，双电层电容HC 和扩散层电容diffC 串联而成，三者关系如公式 1-2 所dlHdiffCCC111= +的储能机理模型可知，双电层电容器电容主要由电极材与孔径、电极材料的润湿性、电解液种类等决定。因此 就应该选择合适的电极材料，增加电极材料的表面积，增性，选择匹配的电解质等。
【参考文献】

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本文编号：2891823