基于聚合物凝胶电解质赝电容超级电容器的制备与性能研究

来源 :长春工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:a294104136
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超级电容器是一种重要的储能设备,因其具有功率密度高、使用寿命长、安全可靠、几乎无需维护、快速充放电能力和优异的循环性能等显著优点而广泛应用于汽车工业、军工生产和通信设备等领域。从工作机理上可将超级电容器分为双电层,赝电容和混合超级电容器。由于氧化还原反应的引入,赝电容超级电容器获得了远高于传统双电层超级电容器的比电容和能量密度,储电能力得到了极大的提升。固态电解质因其具有易加工、易封装、高电压窗口和高稳定性等特点逐渐成为器件电解质部分的最佳选择。其中聚合物凝胶电解质作为一种性能优异的固态电解质,还拥有良好的机械性能和电导率。将其应用于赝电容器件,制备的超级电容器在保持很高的质量/面积电容和比能量的同时,依然具有良好的柔性和长期循环性能。这些优点使得制备的全固态超级电容器在可穿戴储能器件领域拥有广阔的应用前景。本文中,我们合成了以聚丙烯酰胺(PAAM)和聚乙烯醇(PVA)为基体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,硫酸锂和1-丁基-3甲基-咪唑溴鎓盐(BMIMBr)为导电介质的聚合物离子凝胶电解质(PAAM-PVA-Li2SO4-BMIMBr)。在常温下其传导率可达39.3 m S cm-1,拉伸强度可达269 k Pa。通过一体化成型方法将其与活性碳电极组装,我们制备了具有良好的可变形性,高电压窗口和循环性能的赝电容超级电容器。其面积电容最高可达284.8 m F cm-2,质量电容可达72.2 F g-1,能量密度达到25.3 Wh kg-1。在10 m A cm-2的面积电流下循环5000次,其库伦效率保持在96%以上,同时电容保持率保持在99.7%。鉴于活性碳电极相对较低的比电容,我们制备了一系列活性电极,以多层碳化钛(MXene)为基体,苯胺为单体原位聚合的活性物质(P-MX)。其中以P-M10制备的柔性电极面积电容可达1435.8 m F cm-2,比电容可以达到1196.5 F g-1,能量密度可达到105.8 Wh kg-1。之后我们设计了一种以MXene为交联剂,聚丙烯酸(PAA)为聚合物基体,硫酸为导电介质的凝胶电解质。其传导率在常温下可达165 m S cm-1,断裂伸长率为242%,拉伸强度为176 k Pa。将其与P-M10电极组装得到的赝电容超级电容器P-M10-MG比电容可达222 F g-1,能量密度可达19.7 Wh kg-1。在20 m A cm-2的面积电流下经10000次循环后,电容保持率可达98.5%。同时器件具有良好的可变形性,拥有很高的使用价值和广阔的应用前景。
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