基于咔唑-EDOT基团的超级电容器电极材料的制备与性能研究

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超级电容器作为目前主要储能元件之一,区别于传统电容器和电池,它有其特有的优势:容量大、功率密度高、寿命长。超级电容器主要分为双电层电容器和赝电容器。区别于双电层电容器电极材料,导电聚合物作为赝电容器的主要电极材料之一,因其存在氧化还原反应而具有较高的比容量。同时导电聚合物凭借着电导率高、成本低廉、环保的特点在众多电极材料中备受青睐。因此我们选取导电聚合物作为研究的基础。但影响其生产使用的因素有稳定性差,能量密度有较大提升空间等,距离实际生产使用还有较长距离。本文以提升超级电容器比容量和循环稳定性为出发点,设计并合成以咔唑-EDOT为共轭聚合物骨架的聚合物材料,探索不同基团的引入对其电化学性能的影响,并通过与活性炭复合制备复合材料,研究对其循环稳定性的影响。主要研究内容如下:(1)设计以咔唑-EDOT为骨架上在其侧链分别接上苯硝基、蒽醌基团,成功合成咔唑-EDOT衍生物ECz E、ECz NO2E、ECz AQE,并用电化学聚合的方法制备了其均聚物。通过SEM表征,PECz E的颗粒更为细小,分散性更好。经计算可得PECz E的b值为0.95,属于明显的电容行为。而PECz NO2E以及PECz AQE的b值分别为0.59和0.66,位于0.5~1之间,属于电池与电容器电极材料的混合行为。PECz E的电容值在0.1 m A/cm2的电流密度下比容量达到8.41 m F/cm2,相较其它两种而言较高,且切换至1 m A/cm2的电流密度下,比电容量仍有7.03m F/cm2,比容量保持在83.6%,显示出较好的倍率性能。PECz NO2E、PECz AQE从0.1 m A/cm2到1 m A/cm2的变化下,电容值分别由1.52 m F/cm2下降到0.49m F/cm2、4.05 m F/cm2下降到2.29 m F/cm2,电容保存率分别为32%、57%。证明不同活性基团的引入引起分子结构的改变会最终影响其储能行为的改变,也会对其电极材料的储能水平产生较大的影响。同时将具有n掺杂的双极性电极材料PECz AQE在0.5 m A/cm2的电流密度下测试了其储能水平。虽然电容值仅为1.22m F/cm2,但初步探索了制备双极性材料并在一般条件下进行测试其电化学性能具有较高的实际意义。(2)以泡沫镍为导电基底,在事先制备好的活性炭材料上通过控制电化学聚合圈数的方式成功制备了三种不同导电聚合物PECz E负载量的复合物AC/PECz E-5、AC/PECz E-8、AC/PECz E-10。通过SEM表征,观察到聚合8圈的AC/PECz E-8较大程度地覆盖于活性炭的表面,且形貌更为细小,分散更为均匀。通过循环伏安电化学测试以及恒电流充放电测试等表征,复合物材料AC/PECz E-10在5 m A/cm2的电流密度下面积比电容值达到271.32 m F/cm2,高于AC/PECz E-8、AC/PECz E-5的两种复合物材料的226.58 m F/cm2、154.32 m F/cm2。在经过1000圈的循环稳定性测试后,AC/PECz E-8的电容保存率为72.3%,大大提升了纯聚合物材料的稳定性。证明了通过控制合适负载量的聚合物生长制备复合材料方法可有效改善其作为聚合物单一材料稳定性差的缺陷,并与活性炭的协同作用还增加了材料的比容量,具有一定的推广意义。
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