超级电容器用导电聚吡咯电极材料的研究

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导电性聚合物聚吡咯(polypyrrole, PPy)具有极大的比表面积,作为超级电容器(supercapacitor, SC)储能材料具有较好的应用前景,然而由于PPy充放电过程中容易发生主链断裂,导致电极材料的过早衰减和比容量下降。本文采用不同方法合成了PPy复合电极材料,试图通过与其它材料的复合,减缓PPy分子链的降解。首先,通过化学氧化法制备的PPy/TSA(对甲基苯磺酸),在0.5M Na2SO4(pH=7.6)的电解液中进行的电化学测试表明:PPy/TSA具有良好的快速充放电能力,但经过1000次充放电循环后发现其比容量下降了25.5%。用CV测试了PPy/TSA电极循环前后的伏安曲线图,发现循环后PPy/TSA的氧化峰逐渐消失,并且非法拉第电流减小。交流阻抗测试表明,PPy/TSA在反复充放电循环后,电荷传递电阻增加,高频区的双电容值降低,低频区的双电容值增加。对循环后的产物进行比表面积测试,发现充放电过程中聚合物链的反复氧化/还原导致材料平均孔径减小、比表面积下降。FT-IR和Raman光谱也证实PPy纳米粒子在充放电过程中会发生降解,生成一种含C=O的醌式结构物质,这表明聚合物电极材料比容量的下降可能与PPy主链的不可逆氧化和充放电过程中聚合物主链反复地膨胀/收缩导致的结构碎片化有关。用KMnO4代替FeCl3为氧化剂制备了复合材料MnO2/PPy/TSA,采用FTIR、SEM、BET、CV、EIS及恒电流充放电等方法研究了复合材料的电化学性能。结果表明其比表面积为123.8m2/g,最可几孔径为3.5nm,而且MnO2/PPy/TSA体现最佳电容性的电位区间正移到-0.10.9V,当以3mA/cm2充放电时,MnO2/PPy/TSA的比容量为376F/g,经过500次充放电循环后其容量衰减了7.3%,和PPy/TSA相比,充放电过程中的容量稳定性提高了10.5%。进一步研究发现,PPy/TSA复合材料的微观形貌对其比容量影响较大。以水热法制备的纤维状MnO2为模板,酸性环境下氧化聚合Py,SEM和TEM结果显示PPy/TSA为颗粒状堆积起来的中空纤维结构,比表面积达到107.6m2/g,材料的孔径分布范围较广,在10mA/cm2时,比容量为305F/g,但容量衰减仍然较严重。用超声混合法制备了AC(活性炭)/PPy/TSA,对比了不同质量比的复合材料的电化学性能,得到当m(AC):m(PPy/TSA)为6:4的时候,复合材料的电容性能最佳。最佳配比时其比表面积为1136.7m2/g,在10mA/cm2下的比容量为370F/g,并且循环稳定性也得到了较好的改善,1000次恒电流充放电后,复合材料的容量保持为最初的91.8%,但是在0℃下,复合材料的电容性能有所下降。
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