柔性“蜂窝状”石墨烯基聚苯胺电容器的制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-01-08 09:30
柔性超级电容器是储能技术的前沿,近年来由于其在现代可穿戴电子领域的重大突破而受到广泛关注。聚苯胺（PANI）存在各种氧化态且具有可调节的赝电容性能,既可以用作导电剂,也可以直接用作电活性材料,因此被广泛应用在能量存储领域。然而PANI的刚性分子链导致其无法单独作为柔性超级电容器的组件,而且倍率性能差以及在循环充放电过程中产生的体积变化导致的稳定性差等缺陷,为此本文采用不同方法制备的石墨烯基材料为柔性基体,并通过不同方法将刚性聚苯胺引入石墨烯层间制备具有优异稳定性的柔性超级电容器。首先,采用温和的方法利用对苯二胺对GO进行了表面修饰,能够有效阻止石墨烯的重新堆积制得略微皱缩的石墨烯纳米片。经过PPD改性后的石墨烯（PGO）形态略微皱缩表面基团丰富,使得PANI纳米棒能够很好地分散在PGO纳米片中,经过真空抽滤和还原后,制备了蜂窝状的石墨烯基多孔网络复合膜。以此方法制得的PANI@rPGO复合膜电极的比电容值高达734.4 F g-1(0.5 A g-1),5000次循环后仍有110%的电容保持率。在0.5 A g-1的电流...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同储能设备的Ragone图[6]
兰州大学硕士学位论文柔性“蜂窝状”石墨烯基聚苯胺电容器的制备及其电化学性能研究2图1-2EDLC的电荷存储原理[12]对于EDLC，它的电容来自于电极与电解质界面上积累的纯静电荷，由于电极和电解质之间不发生电荷转移(这使得它们具有高可逆和高循环稳定性)，因此它强烈依赖于电解液离子可以接触到的电极材料的表面积。碳纳米材料具有较大的比表面积，是EDLC常见的电极材料，如碳气凝胶[13]，活性炭[14]，碳纳米管[15]，石墨烯[16]，碳化物衍生的碳[17]等。1.1.2赝电容器赝电容是一种基于快速且高度可逆的表面或近表面发生的氧化还原反应的法拉第电荷存储机制。由于其储能是基于氧化还原反应，因此赝电容行为在一定程度上类似于电池[18]。赝电容与电解液和电极之间的电子电荷转移有关，被吸附的离子不与材料的原子发生反应，只发生电荷的转移。电极实现赝电容效应的能力取决于材料对电极表面离子的吸附和化学亲和力，以及孔的结构和大小[19]。电荷存储随外加电压呈线性增加[20]。具有氧化还原特性的材料广泛应用在赝电容器中，其中有过渡金属氧化物（IrO2，RuO2，Fe3O4，MnO2，NiO，V2O5，Co3O4）、过渡金属硫化物和导电化学聚合物（聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚乙炔、聚(4-苯乙烯磺酸盐)）等。与EDLC相比，赝电容的比电容值相对更高，但导电能力差，导致其电化学稳定性差，功率密度低[21]。对于过渡金属氧化物材料而言，其储量低导致价格高昂无法广泛应用。对于过渡金属硫化物而言，其电导率太低严重影响到了电荷的传输。对于导电化学聚合物而言，由于其在电化学氧化还原反应过程中存在体积膨胀等问题导致较差的循环稳定性。上述都是赝电容器存在的问题。1.1.3混合电容器混合超级电容器在不改变功率密度的情况下提高?
兰州大学硕士学位论文柔性“蜂窝状”石墨烯基聚苯胺电容器的制备及其电化学性能研究4电容器有效的避免了短路的风险，并具备良好的电荷存储能力和抗弯曲疲劳的能力[32]。迄今为止，制造GBFs的方法是受传统合成纤维的启发，主要包括熔融纺丝法和溶液纺丝法。有结果表明，石墨烯具有高温稳定性，其熔化温度约为4900K[33],因此熔融纺丝不适合制备GBFs，而溶液纺丝是最理想的方法。溶液纺丝方法包括湿法纺丝和干法纺丝，这取决于纺丝液是否在溶液浴中凝固[34]。（1）湿法纺丝在湿法纺丝过程中，将氧化石墨烯(GO)分散到水溶液中以获得稳定的纺丝液，然后泵入凝固浴中形成凝胶态纤维。待凝固完成后，分离出凝胶态纤维，进行干燥，获得氧化石墨烯纤维。为确保氧化石墨烯纤维的均匀连续，凝固后的纤维应保持一定的运动速度，可以通过收集装置以合适速度来收集整理。石墨烯湿法纺丝过程见图1-3。图1-3石墨烯湿法纺丝过程图[35]a.纺丝液氧化石墨烯纺丝液能在水中的稳定分散主要靠静电斥力[36]。当GO纺丝液泵入到凝固浴中，非溶剂破坏了带电离子的稳定性，导致氧化石墨烯发生凝固沉淀[37]。GO纺丝液的可纺性取决于GO片层的横向尺寸大小和浓度，大片层高浓度有利于纺丝，但是纺丝浓度也不宜过高，否则容易堵塞纺丝出口，不利于形成连续均匀的纤维。b.凝固浴除纺丝液外，凝固浴对GBFs的性能也起着重要的作用。GO纺丝液是一种带负电荷的稳定水分散体。为了得到纤维，必须破坏其稳定状态，使其形成凝胶
本文编号：2964353
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同储能设备的Ragone图[6]
兰州大学硕士学位论文柔性“蜂窝状”石墨烯基聚苯胺电容器的制备及其电化学性能研究2图1-2EDLC的电荷存储原理[12]对于EDLC，它的电容来自于电极与电解质界面上积累的纯静电荷，由于电极和电解质之间不发生电荷转移(这使得它们具有高可逆和高循环稳定性)，因此它强烈依赖于电解液离子可以接触到的电极材料的表面积。碳纳米材料具有较大的比表面积，是EDLC常见的电极材料，如碳气凝胶[13]，活性炭[14]，碳纳米管[15]，石墨烯[16]，碳化物衍生的碳[17]等。1.1.2赝电容器赝电容是一种基于快速且高度可逆的表面或近表面发生的氧化还原反应的法拉第电荷存储机制。由于其储能是基于氧化还原反应，因此赝电容行为在一定程度上类似于电池[18]。赝电容与电解液和电极之间的电子电荷转移有关，被吸附的离子不与材料的原子发生反应，只发生电荷的转移。电极实现赝电容效应的能力取决于材料对电极表面离子的吸附和化学亲和力，以及孔的结构和大小[19]。电荷存储随外加电压呈线性增加[20]。具有氧化还原特性的材料广泛应用在赝电容器中，其中有过渡金属氧化物（IrO2，RuO2，Fe3O4，MnO2，NiO，V2O5，Co3O4）、过渡金属硫化物和导电化学聚合物（聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚乙炔、聚(4-苯乙烯磺酸盐)）等。与EDLC相比，赝电容的比电容值相对更高，但导电能力差，导致其电化学稳定性差，功率密度低[21]。对于过渡金属氧化物材料而言，其储量低导致价格高昂无法广泛应用。对于过渡金属硫化物而言，其电导率太低严重影响到了电荷的传输。对于导电化学聚合物而言，由于其在电化学氧化还原反应过程中存在体积膨胀等问题导致较差的循环稳定性。上述都是赝电容器存在的问题。1.1.3混合电容器混合超级电容器在不改变功率密度的情况下提高?
兰州大学硕士学位论文柔性“蜂窝状”石墨烯基聚苯胺电容器的制备及其电化学性能研究4电容器有效的避免了短路的风险，并具备良好的电荷存储能力和抗弯曲疲劳的能力[32]。迄今为止，制造GBFs的方法是受传统合成纤维的启发，主要包括熔融纺丝法和溶液纺丝法。有结果表明，石墨烯具有高温稳定性，其熔化温度约为4900K[33],因此熔融纺丝不适合制备GBFs，而溶液纺丝是最理想的方法。溶液纺丝方法包括湿法纺丝和干法纺丝，这取决于纺丝液是否在溶液浴中凝固[34]。（1）湿法纺丝在湿法纺丝过程中，将氧化石墨烯(GO)分散到水溶液中以获得稳定的纺丝液，然后泵入凝固浴中形成凝胶态纤维。待凝固完成后，分离出凝胶态纤维，进行干燥，获得氧化石墨烯纤维。为确保氧化石墨烯纤维的均匀连续，凝固后的纤维应保持一定的运动速度，可以通过收集装置以合适速度来收集整理。石墨烯湿法纺丝过程见图1-3。图1-3石墨烯湿法纺丝过程图[35]a.纺丝液氧化石墨烯纺丝液能在水中的稳定分散主要靠静电斥力[36]。当GO纺丝液泵入到凝固浴中，非溶剂破坏了带电离子的稳定性，导致氧化石墨烯发生凝固沉淀[37]。GO纺丝液的可纺性取决于GO片层的横向尺寸大小和浓度，大片层高浓度有利于纺丝，但是纺丝浓度也不宜过高，否则容易堵塞纺丝出口，不利于形成连续均匀的纤维。b.凝固浴除纺丝液外，凝固浴对GBFs的性能也起着重要的作用。GO纺丝液是一种带负电荷的稳定水分散体。为了得到纤维，必须破坏其稳定状态，使其形成凝胶
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