智能超级电容器

发布时间：2018-04-01 09:38

本文选题：取向碳纳米管　切入点：超级电容器　出处：《复旦大学》2014年博士论文

【摘要】：因为高比容量、高功率密度、超长循环寿命、高稳定性和环境友好等综合优异性能,超级电容器在很多领域如便携式、可穿戴电子产品中显示了巨大的应用前景,但如何进一步提高其应用效率是目前亟待解决的重要问题。比如,人们迫切需要发展能直观、实时反映其工作状态的超级电容器,在电力用完之前提醒使用者及时充电,实现器件的安全、高效运作,但迄今为止这样的智能超级电容器尚未见报道。本学位论文通过在超级电容器中引入敏感变色的高分子材料,发展出一系列新型智能的平面和纤维状超级电容器。本学位论文主要研究了聚丁二炔和聚苯胺两类典型的敏感变色高分子材料,重点通过引入功能无机纳米组分制备具有优异敏感性能的复合材料。在聚丁二炔中引入磁性四氧化三铁纳米粒子,实现了聚丁二炔磁致变色。首先通过化学共沉淀法制备四氧化三铁纳米粒子,末端含羧基的二炔单体通过氢键连接到纳米粒子表面,最后在紫外光照射下二炔单体进行拓扑化学聚合制备聚丁二炔/四氧化三铁复合材料。在高频交变磁场作用下,四氧化三铁纳米粒子发热,诱导聚丁二炔侧链扰动,最终导致聚丁二炔主链构象变化,宏观上显示颜色变化。在聚苯胺中引入具有优异电学性能的取向碳纳米管,实现了聚苯胺高度可逆的电致变色。首先通过化学气相沉积法制备了高度取向的可纺碳纳米管阵列,从阵列中干法拉出具有高电导率的取向碳纳米管薄膜,然后在取向碳纳米管薄膜上电沉积聚苯胺制备复合材料,在电化学作用下聚苯胺发生快速可逆的氧化还原反应,宏观上指示颜色变化。因为明显的颜色变化和良好的稳定性,聚丁二炔和聚苯胺在各种电子和敏感器件中都显示了诱人的应用前景。考虑到聚苯胺同时具有优异的电化学性能,本学位论文重点以聚苯胺为模型,发展智能超级电容器。超级电容器。为了得到具有综合优异性能的智能器件,我们首先发展柔性、稳定、高电化学性能的超级电容器。传统的平面超级电容器已经有大量报道,因此本学位论文重点是实现了一类可拉伸的纤维状超级电容器。首先通过干法纺丝从碳纳米管阵列中制备具有优异力学和电学性能的取向碳纳米管纤维和薄膜,进一步在碳纳米管纤维表面涂覆一层磷酸/聚乙烯醇凝胶电解质,然后包裹取向碳纳米管薄膜,即可得到具有同轴结构的全固态纤维状超级电容器。取向碳纳米管纤维和薄膜分别作为两个电极,储能机理为双电层电容,比容量达到59 F/g,同时具有良好的柔性和可拉伸性能。平面状智能超级电容器。以透明的弹性硅橡胶为基底,然后在其表面粘附一层高度取向的碳纳米管薄膜,再通过电沉积法在碳纳米管上均匀地沉积一层聚苯胺,得到聚苯胺/碳纳米管复合电极。以磷酸/聚乙烯醇为凝胶电解质,将两片聚苯胺/碳纳米管复合电极组装形成对称的超级电容器。由于聚苯胺的赝电容储能机制,超级电容器显示高达308.4 F/g的比容量,并且经过1000次弯曲和200次拉伸(形变为100%)后分别保持95.8%和近100%的容量。而且该超级电容器在充放电过程中正负极的颜色随电压的不同而变化,如正极在电压为1 V、0.5 V、0V和-1V时分别为蓝色、绿色、淡绿色和淡黄色,从而可以实时、直观地反映出其自身的储能状态。纤维状智能超级电容器。在弹性橡胶纤维上缠绕一层取向碳纳米管薄膜,然后通过电沉积法在碳纳米管上沉积一层聚苯胺,以磷酸/聚乙烯醇凝胶作为电解质制备纤维状智能超级电容器。该智能超级电容器具有良好的电化学储能性能,如比容量达到255.5 F/g；同时具有良好的柔性和可拉伸性,在弯曲和拉伸过程中电化学储能性能稳定。与平面智能超级电容器一样,纤维状智能超级电容器在充放电过程中随电压变化而显示不同颜色,但纤维状结构也赋予此类超级电容器一些独特的优势,如纤维状智能超级电容器可以编成各种织物,形成各种图案,可以作为一类新型的柔性、可穿戴显示材料和器件。总结来说,本学位论文通过引入敏感变色的智能高分子材料,发展出一类新型的智能超级电容器,其在不同工作电压下显示不同的颜色,从而可以直观、动态指示其工作状态,为超级电容器的发展和应用提供了重要的理论基础。
[Abstract]:A new type of super capacitor with excellent electrical properties is prepared by chemical coprecipitation method . The super capacitor has a specific capacity of up to 308.4 F / g , and has a capacity of 95.8 % and nearly 100 % after 1000 bending and 200 stretching ( deformation of 100 % ) . In addition , a layer of oriented carbon nanotube film is wound on the elastic rubber fiber , and then a layer of polyaniline is deposited on the carbon nano tube by electrodeposition method .
The invention provides a novel intelligent super capacitor which can be woven into various fabrics to form various patterns and can be used as a new type of flexible and wearable display material and device .

【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM53

【参考文献】