碳纳米材料基全固态可拉伸超级电容器的设计及性能研究

发布时间：2022-02-21 10:43

　　随着人们对电子器件便携化和可穿戴化日益增长的需求,越来越多的电子设备被要求具有柔性和可拉伸性。实现一个完整的可拉伸电子设备体系的必要条件是实现能源设备的可拉伸性。这里所说的能源设备包括电池,太阳能电池和超级电容器等。在这些能源设备当中,超级电容器作为一种重要的能量存储装置,具有充放电迅速,功率密度大,循环稳定性优异,使用寿命长,环境友好等优点。一般说来,超级电容器的能量密度比传统电容器高几个数量级,此外,由于充放电机理的特殊性,超级电容器可以实现短时间内大量的能量传输,因此其功率密度要显著高于电池。在此背景下,本文研究采用备受关注的碳纳米材料—碳纳米管,制备了一系列新型全固态超级电容器,并通过结构设计,赋予超级电容器可拉伸性,进一步满足超级电容器多功能性的发展要求。本文中,采用“预拉伸-放松”的方法成功的制备了具有褶皱结构的碳纳米管纤维,讨论了褶皱碳纳米管纤维的导电性,拉伸过程的性能稳定性,并且探究了反复机械拉伸条件下,褶皱碳纳米管纤维的破坏过程。同时,基于褶皱的碳纳米管纤维,分别制备了可拉伸导体以及超级电容器。并首次关注和探究了可拉伸电子器件在长期反复拉伸过程中的耐久性。实验结果表明... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校

【文章页数】：134 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 超级电容器的储能机理
        1.2.1 电化学储能概述
        1.2.2 双电层储能
        1.2.3 赝电容储能
    1.3 基于碳材料的超级电容器电极
        1.3.1 活性炭电极
        1.3.2 碳纳米管电极
        1.3.3 石墨烯电极
    1.4 功能化超级电容器
        1.4.1 柔性超级电容器
        1.4.2 可拉伸超级电容器
        1.4.3 透明超级电容器
        1.4.4 线形超级电容器
    1.5 碳纳米管材料
        1.5.1 碳纳米管材料概述
        1.5.2 碳纳米管纤维
        1.5.3 碳纳米管薄膜
    1.6 本文的主要研究内容
第2章 材料与实验方法
    2.1 实验材料及实验设备
        2.1.1 实验材料
        2.1.2 实验设备
    2.2 实验方法
        2.2.1 基底材料的制备
        2.2.2 凝胶电解质的制备
        2.2.3 电极的改性处理
    2.3 分析表征方法
        2.3.1 循环拉伸测试
        2.3.2 电阻测试
        2.3.3 电化学性能测试
        2.3.4 材料表面形貌表征
        2.3.5 材料组成和结构分析
    2.4 数据分析处理
        2.4.1 比电容的计算
        2.4.2 比能量密度的计算
        2.4.3 比功率密度的计算
第3章 单向可拉伸薄膜状导体及超级电容器
    3.1 前言
    3.2 碳纳米管纤维的表征
    3.3 褶皱碳纳米管纤维
        3.3.1 碳纳米管褶皱结构的形成
        3.3.2 阵列碳纳米管纤维的褶皱行为
        3.3.3 褶皱的阵列碳纳米管纤维的导电性
        3.3.4 气凝胶碳纳米管纤维的褶皱行为
        3.3.5 褶皱的气凝胶碳纳米管纤维的导电性
    3.4 基于碳纳米管纤维的可拉伸导体
        3.4.1 可拉伸导体的制备
        3.4.2 基于阵列碳纳米管纤维的可拉伸导体
        3.4.3 基于阵列碳纳米管纤维可拉伸导体的导电性
        3.4.4 基于气凝胶碳纳米管纤维的可拉伸导体
        3.4.5 基于气凝胶碳纳米管纤维可拉伸导体的导电性
    3.5 基于碳纳米管纤维的可拉伸超级电容器
        3.5.1 可拉伸超级电容器的制备
        3.5.2 基于阵列碳纳米管纤维的可拉伸超级电容器的电化学性能
        3.5.3 基于阵列碳纳米管纤维的可拉伸超级电容器的机械拉伸耐久性
        3.5.4 基于气凝胶碳纳米管纤维的可拉伸超级电容器的电化学性能
        3.5.5 基于气凝胶碳纳米管纤维的可拉伸超级电容器的机械拉伸耐久性
    3.6 本章小结
第4章 多向可拉伸薄膜状超级电容器
    4.1 前言
    4.2 碳纳米管薄膜的表征
    4.3 基于碳纳米管薄膜的多向可拉伸超级电容器
        4.3.1 多向可拉伸电极的制备
        4.3.2 多向可拉伸电极的形貌表征
        4.3.3 多向可拉伸电极的导电性
        4.3.4 多向可拉伸超级电容器的电化学性能
    4.4 基于改性电极的多向可拉伸超级电容
        4.4.1 褶皱碳纳米管薄膜电极的改性
        4.4.2 改性电极的表面形貌
        4.4.3 改性电极的电化学性能
        4.4.4 改性的多向可拉伸超级电容器的电化学性能
    4.5 本章小结
第5章 线形高性能可拉伸超级电容器
    5.1 前言
    5.2 可拉伸皮芯结构线形超级电容器的制备
    5.3 CNT@MNO_2电极
        5.3.1 CNT纤维的表征
        5.3.2 CNT@MnO_2复合纤维的制备
        5.3.3 CNT@MnO_2复合纤维的表征
    5.4 CNT@PPY电极
        5.4.1 CNT@PPy复合薄膜的制备
        5.4.2 CNT@PPy复合薄膜的表征
    5.5 线形可拉伸超级电容器
        5.5.1 超级电容器的电荷平衡
        5.5.2 直线形非对称超级电容器的电化学性能
        5.5.3 螺旋形非对称可拉伸超级电容器的电化学性能
    5.6 本章小结
结论
本论文的创新点
展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历


【参考文献】：
期刊论文
[1]二氧化锰电极电化学（7）[J]. 夏熙.  电池工业. 2006(01)

博士论文
[1]基于纳米碳材料的可拉伸超级电容器的研究[D]. 徐萍.东华大学 2016

硕士论文
[1]基于取向碳纳米管/共轭高分子复合纤维的新型线状超级电容器[D]. 蔡振波.复旦大学 2013
[2]单壁碳纳米管阵列制备及其粘附力研究[D]. 班书宝.苏州大学 2011



本文编号：3637085