超级电容器用PVA基凝胶聚合物电解质研究

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凝胶聚合物电解质(GPE)因其柔性好、强度高、成本低等优点而受到广泛关注,并有望用于下一代柔性超级电容器(FSC)以及柔性锂离子电池等可穿戴式储能器件中。但目前常用的GPE仍然存在诸如离子传导率低、机械强度差、稳定性差等缺点,因而限制了高性能FSC的进一步发展。基于上述考虑,本论文以聚乙烯醇(PVA)为基质,采用溶液共混方法制备了含1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIMBF4)及钠离子无机盐的凝胶聚合物电解质。通过调整咪唑离子液体和钠离子无机盐的配比以提高PVA基凝胶电解质的离子传导率和机械强度;此外,通过改变钠离子无机盐的阴离子类型以提升其工作电压窗口。主要研究工作包括:(1)基于PVA/EMIMBF4/Na BF4电解质的配制及其在超级电容器中的应用。以PVA、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIMBF4)和氟硼酸钠(Na BF4)为原料,采用溶液共混方法制备了PVA基凝胶聚合物电解质(PVA/IMB)。研究结果表明,PVA/IMB-2的室温离子传导率为2.56 m S cm-1,弹性模量约为71 k Pa。随后我们采用PVA/IMB-2和商业活性炭(YP-50F)组装FSC(PVA/IMB-2-SC)。研究结果表明,PVA/IMB-2-SC在电流密度为0.5 A g-1时的比电容值可高达141.8 F g-1,能量密度可达到19.7 Wh kg-1。同时PVA/IMB-2-SC还表现出优异的柔性性能和循环稳定性,例如PVA/IMB-2-SC弯曲120o时,其电容损失仅为2.2%;在1.0 A g-1电流密度下经过5000次循环充放电后,其电容保持率为80.7%,库伦效率接近100%。(2)基于PVA/EMIMBF4/Na N(CN)2电解质的配制及其在超级电容器中的应用。以PVA、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIMBF4)和Na N(CN)2为原料,通过溶液共混制备了含离子液体及无机盐的凝胶聚合物电解质(PVA/IMBDCA)。研究结果表明,PVA/IMBDCA-2的室温离子传导率和弹性模量可分别为3.45 m S cm-1和104 k Pa。随后我们同样采用商业活性炭(YP-50F)和PVA/IMBDCA-2组装柔性超级电容器(PVA/IMBDCA-2-SC)。电化学测试结果表明,PVA/IMBDCA-2-SC的比电容可达到202.8 F g-1,稳定工作电压窗口可拓宽至2.1 V,能量密度可达到31 Wh kg-1。此外,该FSC同样表现出优异的柔性和循环稳定性,PVA/IMBDCA-2-SC弯曲120°时的电容值损失约为2.7%;在1.0 A g-1的电流密度下循环充放电5000次后的电容损失仅为14.6%,且库伦效率基本不变。
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