全固态超级电容器柔性电极的制备和电化学性能研究
发布时间：2021-08-04 03:04
生活中,智能电子的使用越来越多,人们对设备性能的要求也越来越高。新型便携式、可穿戴、可折叠的电子设备也相继商业化。柔性超级电容器由于具备高功率密度、中等能量密度、快速充放电、较长循环寿命和机械柔韧性等众多优势,成为了柔性电子设备中最有前途的一种供能设备。柔性超级电容器器件的关键环节是要获得高性能、易加工的新型柔性电极材料。目前,电极材料通常采用导电聚合物或者碳材料作为活性物质。然而,这些材料在制备和使用过程中都存在不同程度的缺陷,限制了它们的商业化。比如碳材料的能量密度一般都比较低,导电聚合物的循环稳定性较差等等。将导电聚合物与水凝胶结合是提高超级电容器电化学稳定性和能量密度的一个有效途径。凝胶的三维网络结构可以有效保护导电聚合物的结构不被破坏,从而充分发挥其优异的导电性和电化学活性。然而,大多数现有的凝胶制备方法都比较繁琐或者耗时,且制备的导电水凝胶普遍存在力学性能较差,电化学稳定性较差以及在制备过程中变形严重等缺陷。本论文主要集中于机械柔韧性好、电化学性能稳定的导电水凝胶的设计与制备及其在柔性超级电容器领域中的应用研究。主要的研究工作和结果如下:（1）采用新型的冷冻-静态交联法,制...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各类柔性电子器件的照片
性超级电容器的类型：（A）三明治结构，（B）纤维状结构和（C）指状交1-2 Types of flexible supercapacitor: (A) sandwich structure, (B) fibrous structurfinger-like cross structure[15].全固态电解质的柔性超级电容器质是在电池或电容器正、负极之间实现离子导通作用的重要组成或电容器都是在正负极之间充入有机或水溶性的电解质，当器件遭伸等外力的刺激以及物理型损伤时，液态电解质容易出现挥发、泄题，导致器件功能出现不可逆的障碍，甚至还可能引发电解液爆炸、财产安全造成威胁。特别是有机类的电解质，对设备和环境的损固态电解质[18]则不存在泄露、挥发的问题，在组装成电容器时，固代电解液和隔膜，简化电池结构，进而降低生产成本。因此，制备稳定性好的固态电解质已成为科研院校和能源企业的热门课题。
SO4固态电解质。由图1-3可知与Na2SO4液态电解质组装的超级电容器相比，PVA-Na2SO4固态电解质组装的超级电容器能量密度更大。图 1-3（A）PVA-Na2SO4固态电解质的光学照片以及（B）与 Na2SO4液态电解质能量密度对比图[27]Figure 1-3 (A) Optical image of PVA-Na2SO4solid electrolyte and (B) The contrast diagram ofenergy density with Na2SO4liquid electrolyte[27].水凝胶电解质中除了聚合物基体和溶剂型电解液两种主要成分以外，还可以添加活性材料作为第三类物质来改善整个电解质的电化学性能。例如在水凝胶中加入 KI[28]，石墨烯量子点[29]，石墨烯[6]等都可以有效的改善电解质的离子电导率、机械稳定性、化学稳定性、比电容以及循环使用寿命[28]。Ma 等[30]以氢氧化钾和铁氰化钾掺杂聚乙烯醇制备了一种三元复合的聚合物凝胶：PVA-KOH-K3[Fe(CN)6]。并以该凝胶聚合物作为电解质和隔膜，活性炭为电极组装了固态超级电容器。该聚合物凝胶电解质具有较强的柔韧性、良好的离子相容性及其他可开发的潜在性能。最后，采用循环伏安法、恒流充放电法和阻抗法研究了超级电容器的电化学性能。在电流密度为 1.0A/g 时，超级电容器的质量比电容高达 430.95 F/g
本文编号：3320873
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各类柔性电子器件的照片
性超级电容器的类型：（A）三明治结构，（B）纤维状结构和（C）指状交1-2 Types of flexible supercapacitor: (A) sandwich structure, (B) fibrous structurfinger-like cross structure[15].全固态电解质的柔性超级电容器质是在电池或电容器正、负极之间实现离子导通作用的重要组成或电容器都是在正负极之间充入有机或水溶性的电解质，当器件遭伸等外力的刺激以及物理型损伤时，液态电解质容易出现挥发、泄题，导致器件功能出现不可逆的障碍，甚至还可能引发电解液爆炸、财产安全造成威胁。特别是有机类的电解质，对设备和环境的损固态电解质[18]则不存在泄露、挥发的问题，在组装成电容器时，固代电解液和隔膜，简化电池结构，进而降低生产成本。因此，制备稳定性好的固态电解质已成为科研院校和能源企业的热门课题。
SO4固态电解质。由图1-3可知与Na2SO4液态电解质组装的超级电容器相比，PVA-Na2SO4固态电解质组装的超级电容器能量密度更大。图 1-3（A）PVA-Na2SO4固态电解质的光学照片以及（B）与 Na2SO4液态电解质能量密度对比图[27]Figure 1-3 (A) Optical image of PVA-Na2SO4solid electrolyte and (B) The contrast diagram ofenergy density with Na2SO4liquid electrolyte[27].水凝胶电解质中除了聚合物基体和溶剂型电解液两种主要成分以外，还可以添加活性材料作为第三类物质来改善整个电解质的电化学性能。例如在水凝胶中加入 KI[28]，石墨烯量子点[29]，石墨烯[6]等都可以有效的改善电解质的离子电导率、机械稳定性、化学稳定性、比电容以及循环使用寿命[28]。Ma 等[30]以氢氧化钾和铁氰化钾掺杂聚乙烯醇制备了一种三元复合的聚合物凝胶：PVA-KOH-K3[Fe(CN)6]。并以该凝胶聚合物作为电解质和隔膜，活性炭为电极组装了固态超级电容器。该聚合物凝胶电解质具有较强的柔韧性、良好的离子相容性及其他可开发的潜在性能。最后，采用循环伏安法、恒流充放电法和阻抗法研究了超级电容器的电化学性能。在电流密度为 1.0A/g 时，超级电容器的质量比电容高达 430.95 F/g
本文编号：3320873
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