聚3,4-乙烯二氧噻吩@纳米多孔金复合电极材料的制备及其在超级电容器中的应用

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随着科学技术和经济的高速发展,柔性、高电化学性能的储能装置已成为近年来的研究热点。其中,超级电容器由于具有功率密度高、充放电速度快、工作温限宽、绿色环保等优点,在能源领域中具有巨大的市场潜力。对于超级电容器来说,电极材料是影响其性能的决定性因素。其中,导电聚合物具有价格低廉、合成简单等优点,是电极材料的研究热点。在导电聚合物中,聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)具有分子结构简单、易合成、能隙小等特点,在储能领域被广泛应用。但是因其比容量和电导率较低,限制了其在超级电容器中的应用。因此需要找到合适的基底来聚合3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT),以此提高其电导率。纳米多孔金(NPG)具有优良的电导率,超高的比表面积以及独特的连续孔洞结构,是基底材料的优良选择。本文采用电化学合成法,使用NPG作为基底与集流体,聚合EDOT,得到的PEDOT沿着NPG的骨架生长,均匀包覆在NPG的骨架上,形成了导电聚合物包覆金属骨架的核壳结构,得到的复合电极材料具有较高比电容,使用其制备的超级电容器也具有良好的电化学性能。主要工作如下:(1)采用电化学聚合的方法将单体EDOT聚合到NPG的骨架上,通过控制聚合时间,得到不同导电聚合物沉积量的PEDOT@NPG复合电极材料,并研究了PEDOT的沉积量对复合电极材料结构以及电化学性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察复合材料的表面微观形貌,结果可知PEDOT均匀包覆到NPG上形成核壳结构,并且很好的保持了NPG的三维立体孔洞结构。利用电化学工作站对PEDOT@NPG复合电极材料进行电化学性能测试,结果表明,当电流密度为3 A/g时,PEDOT@NPG复合电极材料的比电容可以达到555 F/g,能量密度为177.58 Wh/kg,功率密度为1.73 kW/kg。使用循环伏安法进行循环稳定性测试,结果显示,PEDOT@NPG复合电极材料在扫速为100 mV/s的条件下,充放电循环2000次后的电容值可以保持其初始电容的84.3%。(2)以PEDOT@NPG复合电极材料作超级电容器的两极,制备了赝电容超级电容器。SEM和TEM的结果表明PEDOT均匀包覆到NPG的骨架上,形成了核壳结构。电化学性能测试结果表明,PEDOT@NPG//PEDOT@NPG超级电容器的质量比电容可达169.32 F/g,能量密度和功率密度达到52.65 Wh/kg和0.6 kW/kg,其在扫描速率为100mV/s的条件下,充放电循环2000圈后可以保持初始电容的80.6%。(3)以PEDOT@NPG复合电极材料为负极,MnO2@NPG复合电极材料为正极,制备了不对称超级电容器。SEM和TEM的结果表明两种活性物质都均匀包覆到NPG的骨架上,形成了核壳结构。电化学性能测试结果表明,PEDOT@NPG//MnO2@NPG不对称超级电容器在水性电解液中的工作电压可以达到1.5 V,其质量比电容最高可达232.33 F/g,由于其较宽的电压窗口,该不对称超级电容器的能量密度和功率密度可以达到131.44Wh/kg和3.37 kW/kg,在扫描速率为100 mV/s的条件下,充放电循环1600圈后可以保持初始电容的80.73%。
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