基于碳化棉织物的柔性电极制备及其电化学性能研究

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随着科学技术的发展,人们对于便携式电子设备的需求逐渐增加,如:植入人体的电子设备,可反复弯折的显示屏等。这也推动了轻质、高性能的柔性能源存储设备的开发与研究。柔性超级电容器,被认为是有潜力的储能器件之一,因为其拥有快速的充放电速率,较高的功率密度值,长的循环周期等。其中,柔性基底的合成和制备无疑是十分重要的。碳化棉织物(CCT)由微米级中空碳纤维组成,因为优异的亲水性和导电性等,作为基底有着极大的潜在应用价值。在本论文中,通过易于操作且成本低廉的方法,制备了碳化棉织物和聚吡咯的复合材料柔性电极(CCT-0.5PPY4),碳化棉织物和二氧化锰的复合材料柔性电极(MCCT-5)两种具有优异电化学性能以及良好的机械力学性能的柔性电极复合材料。采用一种简单的低温冰浴聚合方法,以碳化棉织物为基底,制备了一种CCT-0.5PPY4柔性电极,该复合材料改善了PPY的循环性能。经实验条件优化制备的电极,表现出良好的导电性,四探针测试的电导率为625.28 S m-1;具有较高的力学延展性,拉伸强度为0.56 MPa;极佳的亲水性,以及优异的电化学性能。以其作为工作电极,在三电极体系中,1 mA cm-2的电流密度下,面积比电容为1245 mF cm-2,3000圈的循环性能损失率仅为8.8%。组装成为对称型器件之后,电流为1 mA cm-2时,电容达520.34 mF cm-2,电流密度增加至50 mA cm-2时,仍然保持着154.62 mF cm-2的高面积比电容值。此外,该器件功率密度最大值为25.18 mW cm-2(1.573 W cm-3),能量密度最大值为0.074 cm-2(4.625mWh cm-3)。采用简单的低温原位水热方法,制备基于CCT的MnO2复合材料(MCCT)柔性电极。基于二氧化锰的复合材料,电压窗口通常被限制在1.0 V。本文制备的复合材料MCCT,在低电位条件下,电压窗口(OPW)扩展至-0.8 V,整体电压窗口绝对值为1.6 V。更为重要的是,三电极体系中,MCCT-5在1 mA cm-2下具有526.25 mF cm-2(751.78 F g-1)的高比电容,并具有良好的倍率性能(在50 mA cm-2下具有237.6 mF cm-2的电容)和优异的循环保持率(10000次循环后损失率为0.3%)。组装的对称超级电容器显示出最大体积能量密度为5.71mWh cm-3(0.057 mWh cm-2)和3.97 W cm-3(39.71 mW cm-2)的高功率密度。
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