织物基可穿戴型超级电容器的构建及其性能研究

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可穿戴电子设备的快速发展极大地激发了人们对于开发与之匹配的灵活轻便的能量存储设备的热情。作为当前最有前途的柔性设备之一,柔性超级电容器因其循环寿命长、功率密度高和充放电速率快等优势引起了科研工作者们的极大兴趣。柔性电极是柔性超级电容器的核心部件,在各类柔性基底中,织物因其具有良好的柔韧性,可拉伸性,重复利用性和亲水性等特性得到了研究者的广泛关注。本文以研发新型、高性能织物基柔性电极为目标,设计制备并系统表征了石墨烯@织物二元复合电极(Graphene@Cotton)、聚苯胺@石墨烯@织物三元复合电极(PANI@RGO@Textile)和聚苯胺@碳@织物三元复合电极,(PANI@Carbon@Textile),具体研究如下:1.以壳聚糖作为石墨烯的分散剂和粘合剂,通过简单的浸渍-干燥工艺,成功地制备了具有出色柔韧性的Graphene@Cotton-10电极。经过10次浸渍-干燥过程,石墨烯的负载量高达5.5 mg cm-2。在电流密度为1 mA cm-2时,所得Graphene@Cotton-10电极的面积比电容高达232 mF cm-2,明显优于已报道的大多数碳-织物复合电极。基于Graphene@Cotton-10电极组装的对称型超级电容器展现出优异的电化学储能性质,在5 mW cm-2的功率密度下,能量密度为4.38μWh cm-2。此外,该超级电容器经过5000次充放电循环后,电容保持率超过80%。本研究建立的合成方法简单高效、环境友好,在大规模实际应用中具有很大的潜力。2.以上述Graphene@Cotton-10为基础,经原位聚合,成功制备了四种PANI@RGO@Textile电极。研究了酸性掺杂剂(盐酸(HCl)、硝酸(HNO3)、柠檬酸(CA)、酒石酸(TA))对所得电极的形态、结构和电容特性的影响。其中,所获PANI@RGO@Textile-HCl(PANI@G@T-HCl)电极,在1 mA cm-2的电流密度下,面积比电容为1601 mF cm-2,分别是PANI@G@T-HNO3、PANI@G@T-CA和PANI@G@T-TA的1.68倍、2.04倍和3.29倍。基于PANI@G@T-HCl电极组装的全固态超级电容器的能量密度高达755 mWh m-2,同时该器件在0-180°的弯曲度下仍保持良好的电容稳定性,并在600次弯曲后仍表现出77%的高电容保持率,从而证明了其优异的机械性能和电容稳定性。3.传统的织物基复合电极材料的制备方法复杂且耗时耗力,难以大规模工业应用。这里我们通过一种简便的、H2SO4辅助不完全碳化方法制备了PANI@Carbon@Textile三元电极。该电极在1 mA cm-2的电流密度下,最大面积比电容为386.7 mF cm-2。经过5000次循环后,电容保持率超过70%,远远超过了许多已报道的织物电极。基于此电极组装的超级电容器在745 mW m-2的功率密度下表现出35.8 mWh m-2的高能量密度。更重要的是,由于H2SO4辅助的不完全碳化,使电极仍具有良好的织物固有结构,该器件的电容性能在0-180°的弯曲度或0-50%的拉伸率下保持稳定,对实际应用具有重要意义。这种简单的制备方法避免了大的经济和能源消耗,为实现低成本、绿色环保的高性能织物电极的制备开辟出一条新途径。
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