亚麻落麻再生纤维@聚吡咯复合纤维的制备及其在柔性超级电容器中的应用

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柔性超级电容器具有存储能量大,功率密度高以及高的能量传输速率等综合优势,作为轻质、灵活且智能的便携式及可穿戴电子设备的能源储存器件展现出广阔的应用前景。但迄今为止,构建兼具优异力学性能和电化学性能的柔性电极仍然是一项艰巨的挑战。聚吡咯(PPy)作为一种导电高聚物被广泛用于超级电容器中的电极材料,但其存在不溶不熔、加工性能差、强度差等问题,几乎不能单独应用,需要与其他支撑材料复合以改善其力学性能、机械加工性、导电性和反应动力学等。再生纤维素纤维(Rf)具有环境友好、可生物降解、制备简单、具有良好的机械强度和柔韧性且表面形态可调控等优点,在高性能纤维状超级电容器领域有巨大的研究价值。本课题通过对凝固浴的选择,制备并探究了形貌可控的亚麻落麻再生纤维素纤维(FRf),以其作为柔性基底,PPy作为电活性材料,设计和构建了多种高性能的亚麻落麻再生纤维@聚吡咯复合纤维(FRf@PPy),并对柔性纤维电极的合成工艺、力学性能、电化学性能及在柔性超级电容器中的应用进行了研究。(1)使用ZnCl2溶解工业废料亚麻落麻纤维,采用湿法纺丝的方式制备再生纤维素纤维。分别选取甲醇(MT),乙醇(ET),乙二醇(EG),丙三醇(GL)和异丙醇(IPA)作为凝固浴,探究了不同凝固浴对再生纤维素纤维的微观结构、理化性能和力学性能的影响。结果表明,再生纤维素在ZnCl2溶解度较大的凝固浴中更易形成粗糙的表面和孔结构;而溶解度较小的凝固浴更易形成较为平滑、致密的形态结构。其中ETf(乙醇为凝固浴制备的再生纤维),IPAf(异丙醇为凝固浴制备的再生纤维)和MTf(甲醇为凝固浴制备的再生纤维)纤维具有较为粗糙的表面,且ETf有明显的孔结构。纤维经过溶解再生后,晶型发生改变且结晶度降低,热稳定性较原麻纤维有一定程度减小。其中ETf断裂强度为0.751 c N/dtex,且拥有更粗糙的表面形态和微观孔结构,因此在作为电极材料的基材方面有巨大的应用潜力。(2)以不同凝固浴制备的再生纤维素为柔性基底,使用低温界面聚合法制备了FRf@PPy作为柔性纤维电极。探究了凝固浴种类的选择和聚合时间调控对FRf@PPy的形态和电活性物质负载量的影响。聚合时间越长,PPy负载量越大,纤维表面原有的多孔结构被PPy聚集体覆盖导致比表面积变小。ET-3H,ET-6H,ET-12H、ET-24H(使用乙醇为凝固浴制备的再生纤维,聚合时间分别为3h,6h,12h,24h)的PPy负载量分别为27.2%,41.1%,45.7%和48.6%。经过聚合后,复合纤维断裂强度均大于再生纤维,而断裂伸长则略有减小,其断裂强度随着聚合的时间增大而增大,而断裂伸长减小。随着聚合时间的增加,复合纤维的电导率呈现先增加后下降的趋势。ET-12H拥有最大的电导率,为793.6±1.7 S/m。在电极材料中,优异的导电性能对电化学性能至关重要。(3)测试不同凝固浴和聚合时间制备的FRf@PPy的表面粗糙度和电化学性能,并探究了表面粗糙度,电活性物质负载量与电化学性间的关联机制。聚合时间相同,凝固浴选用乙醇时制备的ET-6H具有最大的表面粗糙度和质量比电容;进一步探究当聚合时间为12 h时,ET-12H的质量比电容最大,为512.3 F/g(0.5 A/g)。ET-12H被优选作为纤维电极组装成柔性超级电容器,在0.5 A/g的电流密度下,柔性超级电容器的质量比电容达到253 F/g。ET-12H超级电容器具有可以接受的循环稳定性,经过500次充放电,电容保持率可达86.3%。以ET-12H为电极组装的柔性超级电容器最大质量比电容及能量密度分别为253 F/g及17.21 Wh/kg。此外,该电容器在弯曲状态时电化学性能依然保持稳定。该制备方法为开发绿色可再生纤维状柔性电容器提供了重要参考和基础支撑。
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