碳基纤维状柔性超级电容器的构建及电化学性能研究

发布时间：2020-08-28 01:30

【摘要】：传统储能器件难以满足柔性/可穿戴电子设备的应用要求,兼具高能量密度与柔性成为新一代储能器件的重要发展方向。纤维状超级电容器由一维电极构成,具有出色的柔性和可集成性能,但较低的能量密度限制了其应用。赝电容材料与碳质基底复合是提升容量性能的有效方式,但提升能量密度的同时往往损失功率密度,因此提升能量密度的同时保持功率密度仍是一个难题。本论文采用活性碳纤维(ACF)负载赝电容材料MnO_2,构建复合纤维电极,实现MnO_2高负载量和电极容量提升;构建多层次柔性碳基底改善MnO_2结构,提高MnO_2利用率,提升容量性能和倍率性能。首先以ACF作为柔性基底和反应模板,通过室温下与高锰酸钾反应沉积MnO_2,制备MnO_2@ACF复合纤维电极,实现MnO_2高负载量,采用羧甲基纤维素钠/硫酸钠(CMC/Na_2SO_4)凝胶电解质组装柔性纤维状超级电容器。0.1 mA cm~(-2)电流密度下器件比容量达到410 mF cm~(-2),但MnO_2相对致密的结构限制了器件倍率性能。为了改善纤维电极性能,采用商业碳素墨水对活性碳纤维进行改性,构建多层次柔性碳基底,经高锰酸钾刻蚀制备MnO_2@Ink/ACF复合纤维电极。墨水与活性碳纤维良好亲和性使碳纳米颗粒紧密贴附在纤维表面,疏松多孔结构改善电解液浸润和离子传输,有效提升MnO_2利用率,改善倍率性能。器件在0.1 mA cm~(-2)下比容量达到649 mF cm~(-2),比MnO_2@ACF高1.58倍;当电流密度由0.1 mA cm~(-2)增加到1.0 mA cm~(-2),容量保持率由35%增加到63%。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ342.742;TM53
【图文】：

天津大学硕士学位论文，法拉第电容产生于电极表面和/或整个电的能量一般要高于双电层超级电容器，但是不可逆性，循环稳定性较差[23]。在 EDLCs 容电极共同组合可构成非对称电容器，构建，是提升器件能量密度的有效方法[24]。此外为混合电容器。混合电容器由一个电池类电，混合电容器同时具有 EDLCs 的高功率密]。

够实现三维方向的柔性，可通过传统的纺织技术编织成具有优适应多样的产品设计需求，这种独特的结构设计相比于传统的型柔性超级电容器，具有更好的潜力与其他纤维型能量收集器）或传感器等相集成[55]。总的来看，纤维状超级电容器主要在大的应用潜力：（1）作为微型储能器件填补微型电池作为微电功率密度低、充放电速度慢、使用寿命短的缺点，甚至完全取子器件的供能；（2）作为宏观集成器件的结构单元为柔性/可能织物、人造皮肤、可伸缩显示器等提供能源[56]。及分类超级电容器一致，按照储能机理不同，纤维状超级电容器可分器和赝电容超级电容器。按照构建结构的不同，纤维状超级电排列型、缠绕型和同轴型三种，如图 1-2 所示。平行排列型纤般由两根纤维电极平行放置来实现组装，这种结构的纤维状超

图 1-3 基于 MnO2@CNT/nylon 纤维电极的弹簧状可拉伸纤维超级电容器[62]ure 1-3 Spring shaped stretchable fiber supercapacitor based on coiled MnO2@CNT/electrodes通过在其表面包裹碳纳米管薄膜进而沉积 MnO2纳米纤维制2@CNT/nylon 纤维电极，两根 MnO2@CNT/nylon 纤维电极扭转成弹簧后并列放置，涂覆凝胶电解质后构建了可伸缩的固态纤维状超级电容维方向可逆地拉伸至 150%时电容量减少仅为 15%，并且在充放电过程地拉伸形变并未影响器件循环性能，除了具有超好的弹性外，该器件基料的最大长度比容量和面积比容量分别为 5.4 mF cm-1和 40.9 mF cm-2量密度和功率密度分别为 2.6 mWh cm-2和 66.9 mWh cm-2。Bae 等[63]采用水热法在喷金的 PMMA 纤维及芳纶（Kevlar）纤维柔性长了 ZnO 纳米线作为活性物质形成纤维电极，然后将 ZnO/Kevlar 纤/PMMA 纤维缠绕在一起，使用 1M KNO3电解液，构建了缠绕型纤维超，比电容为 0.21 mF cm-2（0.01 mF cm-1）。虽然该纤维状超级电容器性[64]

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本文编号：2806895