碳基柔性非对称纤维状超级电容器的设计与性能研究

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随着微型化可穿戴设备需求日益增长,开发多功能柔性储能装置成为重要的研究方向。纤维状超级电容器(FSC)因其体积小、质量轻且具有独特的一维纤维状结构引起人们广泛关注。它不仅具有超级电容器本身高安全性及快速充放电等优点,同时呈现出较好的柔韧性与可编织性。但由于能量密度较低,难以满足可穿戴器件持续供能的需求,其应用受到极大限制。得益于电压窗口的拓宽,非对称纤维状超级电容器(AFSC)是一种很有前景实现高能量密度储能的柔性器件。本论文聚焦于高比容量聚苯胺纤维复合电极的设计,通过调控其微观层次结构,获得长度/面积比容量相近同时电位区间匹配的纤维状复合电极,从而实现高能量密度AFSC的构建。本论文主要工作如下:以活性碳纤维作为柔性基底,利用基底调控策略实现了对聚苯胺的可控负载,获得具有多级结构的PANI@Ink/ACF纤维复合电极。结果表明,该方法不仅显著提高了聚苯胺的利用效率,同时加速离子与电子在电极材料中的传输速率。在0.3 m A cm-2电流密度下其面积比容量为688 m F cm-2,且在2 m A cm-2较大的电流密度下其容量仍可达到467 m F cm-2。利用聚苯胺复合电极的可控制备,在两电极长度相同的条件下实现了高能量密度非对称纤维状超级电容器的构建。组装得到的AFSC功率密度可达1000μW cm-2,同时其能量密度提高到102μWh cm-2。且该器件具有优异的柔韧性,可在不同弯折角度下其容量保持率维持在100%,同时通过串或并联多个器件进行测试展现了其较好的可集成性。
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