聚吡咯基电极材料的可控制备及其平面微型超级电容器性能研究

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近年来,随着便携式、可穿戴式和植入式智能电子产品的极大发展,对于微型电源的需求也随之增加。微型超级电容器(Micro-supercapacitor,MSC)由于具有快速充电/放电能力、高功率输出、长循环寿命、易于制造和集成等特点,已成为广泛研究的微储能器件之一。然而,目前已报道的MSC通常存在如机械性能较差、电极材料易堆积、能量密度低等缺陷。因此,制备具有良好机械性、高电化学性能的平面MSC仍为一个巨大的难题。目前已报道的电极材料中,具有高π共轭主链的导电高分子聚吡咯(Polypyrrole,PPy)不仅具有金属或半导体相似的赝电容行为,同时还有着传统聚合物优异的柔韧性及导电性等优点,在MSC领域被广泛使用。但其存在易团聚导致的容量低以及充放电时体积膨胀导致的循环稳定性差的问题。基于此,我们通过形貌调节以及与具有良好赝电容和导电性的过渡金属硫化物(Transition metal sulfides,TMDs)复合等方法,制备了具有优异性能的PPy薄膜及PPy基复合薄膜,同时探究了其在MSC中的性能表现。研究的主要内容如下:(1)首次通过喷涂法将模板负载于集流体上,并且将电沉积和刻蚀模板法相结合直接在金集流体上制备了多孔聚吡咯(Porous-PPy)薄膜。此方法将具有良好导电性、赝电容特性的PPy在导电集流体上制备成三维孔道网络薄膜,不仅避免了粘结剂的使用,降低了薄膜电极的电阻,同时孔道结构有利于离子的快速扩散和电子的高效传输。通过调控电沉积时长,可以控制PPy孔道的生长状况。沉积时长为120 s时,Porous-PPy的电化学性能最优。在0.2 m A/cm~2的电流密度下,Porous-PPy具有118 m F/cm~2的高面积容量,相较于无孔结构的PPy薄膜容量提升约95%。2500圈循环充放电测试后,稳定性提升16.3%。(2)通过刻蚀模板法和冷凝回流工艺制备了聚吡咯@硫化钴异质结构空心球(PPy-hs@Co S)。通过调控聚吡咯空心球(PPy-hs)和钴源、硫源的比例可以有效调控外层硫化钴(Co S)的包覆程度。包覆的Co S不仅提供电容贡献,同时还可以抑制PPy在充放电过程中对外的体积膨胀,有效提升了比电容和稳定性。得益于PPy-hs@Co S较高的比电容(1 A/g下电容为639.8 F/g)与AC(1 V)较大的电势窗口,制备的非对称MSC在0.3 m F/cm~2电流密度下具有高面积容量(131.9 m F/cm~2)、体积能量密度(25.6 m Wh/cm~3@140.6 m W/cm~3)以及优异的机械和集成性能。经过5000圈循环测试后,MSC容量仍能保留91.3%。(3)在体系二基础上引入Ni金属离子制备了聚吡咯@四硫化二钴合镍/硫化钴双金属异质结构空心球(PPy-hs@Ni Co2S4/Co S)。镍、钴金属的协同作用有效改善了单金属容量以及倍率性能不足的问题,制备的PPy-hs@Ni Co2S4/Co S(PPy@NCS/Co S)在1 A/g的电流密度下达到1487 F/g,并且在30 A/g时仍能具备55.6%的容量保留率。将活性材料喷涂成膜制备了对称型MSC,其在0.3m F/cm~2的电流密度下仍具有66.2 m F/cm~2的面积容量以及在2 m F/cm~2电流密度下容量保留率为50.2%的优异倍率性能。此外,3000圈充放电测试后仍能保留95%的初始容量。
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