银纳米线基复合材料的制备及其在柔性透明超级电容器中的应用

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透明柔性电子设备的迅速发展不仅需要与其搭配的供电元件具有较大的功率和能量密度,同时还对供电元件的高透明度和柔软性提出了新的要求。在诸多储能器件中,超级电容器是最有希望通过电极和电解质材料的选择与设计来实现其透明度和柔性。本论文制备了两种新型的基于Ag纳米线(NW)导电网络的复合电极材料,并对其性能和在柔性透明超级电容器中的应用展开了深入的研究,主要研究内容包括以下几个方面:(1)采用电泳沉积法在聚对苯二甲酸乙酯(PET)衬底表面制备Ag纳米线/石墨烯复合薄膜。随着电泳沉积电压从-1V增加到-10V,复合薄膜的透过率从64.8%下降到35.2%,相应地薄膜方阻从0.98Ω/sq增加到6.61Ω/sq(初始Ag纳米线薄膜的透过率和方阻分别为75.7%和0.77Ω/sq)。结合石墨烯和Ag纳米线两种材料的优势,由石墨烯层覆盖的Ag纳米线薄膜的稳定性得到极大提高;同时,由于高导电率的Ag纳米线导电网络的引入,石墨烯复合电极的导电性明显提高。在1M LiClO4溶液中进行的电容性能测试表明,当电泳沉积电压从-1V增加到-10V时,复合薄膜的面积比电容从1.22mF/cm2增加到7.6mF/cm2,质量比电容从108.4F/g下降到25.7F/g。此外,Ag纳米线/石墨烯复合电极表现出良好的循环稳定性,经过2500次充放电循环后的电容保有量为82.6%。(2)采用电沉积法制备基于一维Ag NW@NiCo/NiCo(OH)2纳米核壳结构的柔性透明复合电极。以高导电率的Ag纳米线导电网络作为集流体,利用电沉积法使NiCo/NiCo(OH)2纳米结构生长在Ag纳米线的表面;中间的NiCo合金层可作为保护层与缓冲层;最外层的NiCo(OH)2作为超级电容器电极的活性材料。此核壳纳米结构结合了金属纳米材料良好的电荷传输性能、NiCo合金层结构的稳定性和NiCo(OH)2纳米材料优异的电化学性能,此外电极还保持了良好的透明特性。当复合电极透过率为54.3%,电流密度为0.1mA/cm2时,其具有最高的面积比电容为22.2mF/cm2。在100mV/s扫描速率下经过5000次充放电循环后,电容保留率高达91.9%。(3)基于Ag纳米线/石墨烯电极组装了对称型超级电容器,其器件功率密度为0.52kW/kg,能量密度为0.142Wh/kg,电位窗口为0.8V,透过率为24.0%,且表现出良好的柔性。此外,进一步基于Ag NW@NiCo/NiCo(OH)2∥Ag NW/石墨烯电极组装非对称超级电容器,在电流密度为0.2mA/cm2时,具有最高能量密度为3.0W/kg,最大功率密度为3.5W/kg,面积比电容为9.6mF/cm2。在此能量和功率密度下,其透过率为36.2%,电位窗口提升至1.2V,表明其在柔性透明储能器件中具有巨大的应用潜力。
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