基于一维纺织纤维的柔性超级电容器电极材料的研究

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随着人类文明的进步与社会科学技术的发展,能源不足的问题越来越严重,天然气、石油、煤等资源日渐枯竭,同时,温室效应导致的全球变暖与环境污染等问题已经威胁到全人类的生存,也受到全球范围内的关注。因此,开发出环保、可再生的新能源来取代这些不可再生能源已经逐渐成为全人类共同面对的一项艰巨的而又必须解决的困难。科学家们在锂离子电池(LIBs)和超级电容器(SCs)等领域广泛开展了研究,这些新型储能系统被广泛应用与电子产品与新能源汽车。但随着社会需求与消费升级,柔性电子可穿戴设备逐渐被研究人员所重视。纤维状柔性超级电容器作为新型的储能器件,除了超级电容器本身的高功率密度,较长的循环寿命、优异的倍率性能以及绿色安全等优点外,还具有体积小、重量轻、可编织性强等特点,在便携式携带和可穿戴电子设备领域的研究进展迅速。在纤维状柔性超级电容器领域中,大部分研究集中于金属纤维、碳基纤维等,而对纺织物纤维的研究较少。众所周知,纺织物广泛应用于可穿戴的领域,因此本文选取了一维芳纶纱线柔性超级电容器作为研究对象,对一维纤维状芳纶纱线柔性超级电容器的电极材料及其性能进行了如下研究:采用化学沉积法在一维纺织纱线表面沉积一层导电性能良好的镍单质,用来提高纺织纱线的导电性,同时又可以以化学镀的镍层作为电极材料,通过对其导电性和电化学性能的研究,得出镀镍改善后的芳纶纤维单位长度电阻值在4.3Ω左右,在100m V/s的扫描速度下计算得到单根镀镍芳纶纱线的比电容为4.0 m F/cm,并通过将六根镀镍纱线并联测试,在同样的扫速下比容量增大到6.8 m F/cm,从而为纺织物基底材料在柔性穿戴领域的应用提供了借鉴意义。在一维纤维状镀镍纱线上进行硫化处理并原位生长得到一维硫化镍电极材料的芳纶纱线,通过数显时万用表测得其单位长度下的电阻值为1.0Ω左右,极大的改善了绝缘芳纶纱线的导电性,从而进一步的提高了以纺织物为基底的超级电容器的比电容。通过电化学测试得到,单根硫化镍芳纶纤维在100 m V/s扫速下的比电容为13.3 m F/cm,六根并联得到31.1 m F/cm的比电容。同时,一维NiS电极材料在1 m A/cm的电流密度下,经过1500次的循环后,其比容量仍然保有86%。这一性能基本上可以满足其在柔性智能领域的应用。基于一维芳纶纱线硫化镍电极材料优异的导电性,通过水热合成的方法在其上包覆二硫化钼纳米片,得到了NiS@MoS2电极材料的一维芳纶纺织纤维。其单位长度电阻值约为1.5Ω,在100 m V/s的扫描速度下的比电容为18.5m F/cm。比镀镍芳纶纱线和硫化镍芳纶纱线的单位长度下的比电容要大。虽然使芳纶纤维的电阻值有一定程度的增加,但是该复合材料体系可以形成均匀的异质界面,这种特殊的异质界面和纳米纤维之间存在着较好的协同作用,能确保活性材料在循环过程中电化学活性的增强。形成的复合体系有效的增大了其电压窗口,在一定程度上有利于提高超级电容器的能量密度。
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