论文部分内容阅读
超级电容器因其快速地充放电能力、长的循环寿命以及高的功率密度而被认为是一种新型的电化学能量存储元件。电极材料的设计与合成对于超级电容器的应用至关重要。在众多超级电容器的电极材料中,聚苯胺(PANI)因具有高的理论比容量、低成本和绿色环保等优点,而被认为是潜在的超级电容器电极材料,具有良好的应用前景。超级电容器实际的电化学性能与电极活性材料的结构及其导电性有着紧密的联系。然而,PANI较差的循环稳定性能限制了其广泛地应用,这主要是因为在质子的掺杂和去掺杂的过程中PANI发生了体积的膨胀、收缩甚至破裂。本文将具有良好的化学稳定性和电化学稳定性的二氧化锡(SnO2)纳米棒阵列(NRA)与PANI复合,制备成紧密连接的二元复合材料,SnO2 一维纳米棒结构可有效地提升电荷的传输效率,此外,PANI和SnO2之间有机与无机界面的紧密结合也有效地提升了 PANI的循环稳定性能,使PANI/SnO2 NRA复合材料具有良好的电化学性能。本论文针对PANI/SnO2NRA,聚苯胺-还原氧化石墨烯/二氧化锡纳米棒阵列(PANI-rGO/SnO2NRA)和聚苯胺-还原氧化石墨烯/氮掺杂二氧化锡纳米棒阵列(PANI-rGO/N-SnO2 NRA)复合材料,研究其单电极的电化学性质以及在超级电容器中的实际应用。本论文的研究工作具体包括以下几个方面:(1)PANI/SnO2NRA的制备及电化学性能研究PANI/SnO2NRA采用种子辅助的水热和电化学聚合的方法制备。SnO2NRA先通过种子辅助的水热方法生长在碳纤维表面上,再利用电化学聚合的方法将PANI沉积到SnO2NRA上。扫描电镜结果显示,PANI/SnO2NRA的结构为SnO2NRA均匀地生长在碳纤维的表面上,沉积完PANI之后,PANI一部分以纳米纤维包裹在SnO2NRA上,直径约100 nm,另一部分以层状结构包裹在SnO2 NRA的表面上和填充在SnO2 NRA之间的间隙中。通过充放电测试,PANI/SnO2 NRA电极在0.5 A g-1的电流密度下的比容量为367.5 Fg-1,当电流密度增加到5 A g-1时,比容量为231.9 Fg-1,电容保持率为61.6%,展现了良好的倍率性能。循环测试结果表明,PANI/SnO2 NRA电极在5 A g-1的电流密度下进行2000次充放电测试,其容量保持率为88.3%,展现良好的循环性能。基于聚乙烯醇-硫酸(PVA-H2SO4)凝胶电解质,组装PANI/SnO2NRA全固态对称型超级电容器。通过充放电测试,PANI/SnO2NRA全固态对称型超级电容器在0.2 Ag-1电流密度下的比容量为44.9 Fg-1,当电流密度增大到2 Ag-1时,比容量为25.7 Fg-1,容量保持率为57.2%。当功率密度从180 W Kg-1增加到1800 W Kg-1,能量密度从20.2 Wh Kg-1降低到11.6 Wh Kg-1。通过循环性能测试,PANI/Sn02 NRA全固态对称型超级电容器在1 A g-1的电流密度下进行2000次充放电测试,电容保持率高达98.0%。对PANI/SnO2NRA全固态对称型超级电容器充电完之后,其可以点亮红光二极管。综上表明PANI/SnO2NRA可以作为超级电容器的电极材料。(2)PANI-rGO/SnO2NRA的制备及电化学性能研究PANI-rGO/SnO2 NRA采用电化学聚合的方法将PANI和rGO 一起沉积到SnO2 NRA上制备。扫描电镜结果显示,PANT以纳米线(直径为100～200nm)和层状结构包裹在Sn02NRA。充放电测试显示,PANI-rGO/Sn02NRA电极在0.5Ag-1的电流密度下比容量为624.3 Fg-1,高于PANI-rGO的532.5F g-1,当电流密度的升高到5Ag-1时,比容量为484.4 F g-1电容保持率为77.6%,展现了良好的倍率性能。PANI-rGO/Sn02 NRA电极在5 A g-1的电流密度-下进行2000次循环充放电测试,电容保持率为96.3%,展现了良好的循环稳定性。利用PVA-H2SO4凝胶电解质,组装PANI-rGO/Sn02 NRA全固态对称型超级电容器。随着电流密度从0.2 A g-1增大到2 A g-1 PANI-rGO/Sn02 NRA全固态对称型超级电容器的比容量从46.4 F g-1降到39.6 F g-1,容量保持率为85.3%,展现了良好的倍率性能。当功率密度从180 W Kg-1增加到1800 W Kg-1,能量密度从20.8 Wh Kg-1降低到]7.8 Wh Kg-1。PANI-rGO/Sn02 NRA全固态对称型超级电容器在1 A g-1的电流密度下进行2000次循环充放电测试,最终的电容保持率为80.8%。对PANI-rGO/SnO2NRA全固态对称型超级电容器充电完之后,其可以点亮红光二极管。综上表明PANI-rGO/SnO2NRA适合作为超级电容的电极材料。(3)PANI-rGO/N-Sn02NRA的制备及电化学性能研究N-Sn02 NRA先通过氨热方法合成,再采用电化学聚合的方法将PANI和rGO沉积到N-Sn02NRA上制备出PANI-rGO/N-Sn02NRA。扫描电镜结果显示,N-Sn02NRA在碳纤维的表面上呈现四棱柱形纳米棒阵列的结构,其端面的棱长为50～60 nm之间。沉积完PANI之后,PANI部分以直径在100～200 nm之间的纳米纤维的形式包裹在N-Sn02NRA上,而部分PANI以层的形式包裹在N-Sn02NRA的纳米棒上,直径变为100～150nm之间,形成核壳结构。通过充放电测试,PANI-rGO/N-Sn02NRA电极在0.5 A g-1的电流密度下的比容量为1108.4 Fg-l,当电流密度升到5 A g-1时,比容量为1028.7 F g-1,电容保持率为92.8%,展现了良好的倍率性能。循环测试结果显示,PANI-rGO/N-Sn02 NRA电极在5 A g-1的电流密度下进行2000次充放电测试,容量保持率为73.6%,展现了良好的循环稳定性。利用PVA-H2SO4凝胶电解质,组装PANI-rGO/N-Sn02 NRA全固态对称型超级电容器。随着电流密度从0.2Ag-1增大到2Ag-1 PANI-rGO/N-Sn02NRA全固态对称型超级电容器的比容量从59.0 Fg-1降到50.9 Fg-l,容量保持率86.3%,展现了良好的倍率性能。随着功率密度从180 W·Kg-1增加到1800 W·Kg-1,能量密度从26.6 Wh Kg-1降低到22.9 Wh Kg-1。在1 A g-1的电流密度下进行2000次循环充放电测试,PANI-rGO/N-Sn02 NRA全固态对称型超级电容器的电容保持率为56.1%,对PANI-rGO/N-Sn02NRA全固态对称型超级电容器充电完之后,其可以点亮红光二极管。综合表明PANI-rGO/N-SnO2 NRA可以作为有潜力的超级电容器的电极材料。