一体式超级电容器的设计及电化学性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xie_e
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伴随着我们对目前智能穿戴电子器件类的产品的需求迅猛增长,与之相配合的柔性可穿戴储能类器件同样也引起了大众非常多的兴趣和关注。目前,超级电容器作为一种不可或缺的储存能量器件,因为它的快速充电与放电速率,功率密度较高和循环寿命较长,因而受到科研人员的密切关注。为了满足可穿戴电子设备的要求,超级电容器向柔性化和小型化的趋势发展。一般情况下,柔性的超级电容器是由固态电极和凝胶电解质多层叠加而成的。在实际应用中,当发生多次压缩,拉伸和弯曲时,多层之间容易发生分层和错位,导致器件的失效;而随意丢弃的电子垃圾也对我们的环境造成了很大的危害。因此,设计能承受压缩,拉伸和弯曲的一体式超级电容器以及可自修复生物可降解一体式的超级电容器是非常有必要的。本征可压缩可拉伸的电解质是本征可压缩可拉伸一体式超级电容器的核心。本文通过热聚合法制备了可实现60%压缩应变和900%拉伸应变的聚丙烯酸水凝胶。随后我们使用较为成熟的原位生长技术,通过将该器件所用的电极材料直接原位附着在高力学性能水凝胶基底上,从而得到了电极-电解质-电极完全一体化的新型超级电容器。该超级电容器具有较好的电化学性能,在电流密度条件为1.7μA cm-2时,它具有0.056 m F cm-2的面积比电容。该超级电容器同时实现了压缩和拉伸的双功能。该超级电容器在0%到60%的压缩应变下,电容器的循环伏安特性曲线,恒流充放电曲线的电容保持率在100%附近。该超级电容器也可以承受150%的拉伸应变。本征可自愈合的电解质和电极是本征自愈合一体式超级电容器可以实现的重要先决条件。依靠电解质和电极的面粉基体,成功制备了了电极-电解质-电极一体化的新型超级电容器。超级电容器具有较好的体积比电容值,在电流密度条件为5μA cm-3时,具有0.13 mF cm-3的面积比电容。该超级电容器具有优异的自愈合能力,在40次切割/愈合过程中,电容器的循环伏安特性曲线,恒流充放电曲线及阻抗曲线和初始状态基本完全重合,电容容量保持率接近100%。该超级电容器在一次愈合后还可以实现50%的拉伸应变,容量保持率在75%左右。最终该超级电容器还可以实现在模拟胃液和土壤中的分解,实现了来源于自然,最终回归于自然的过程。
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