导电聚合物基纳米复合高比容电极及器件研究

来源 :电子科技大学 | 被引量 : 8次 | 上传用户:Daniel999
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超级电容器具有能量密度高、功率密度大、充电时间短、使用寿命长、循环效率高等优点,越来越受到人们的重视。高比容电极材料的获得是超级电容器的研究热点。导电聚合物聚-3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)具有比容高、电导率高、热稳定性好等优点,是理想的超级电容器电极材料,但循环稳定性差制约了PEDOT的使用寿命。通过将PEDOT与无机纳米材料复合,可以有效解决上述问题。本文主要研究了不同导电聚合物及其纳米复合材料在超级电容器电极中的应用,主要研究内容如下:1、采用原位化学聚合法,合成了不同比例的PEDOT/活性碳(AC)复合材料,研究了复合材料的微观结构及电化学性能。结果表明:在0.5A/g电流密度下,PEDOT/AC(AC占EDOT单体质量的20%)复合电极的比容量达到176.3F/g,经过4000次循环,容量衰减了19.8%,具有较好的电容特性及循环特性。当电流从0.5A/g增加大3A/g时,复合电极的容量保持率为92.5%,适用于大电流的工作环境。以PEDOT/AC复合材料为电极,完整组装了2.3V25F卷绕式超级电容器并研究了器件储能特性,其能量密度达到5.04 Wh/kg,经10000次循环充放电后稳定性良好。2、以聚-3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸钠(PEDOT-PSS)水溶液替代聚偏氟乙烯(PVDF)作为超级电容器电极的粘接剂,研究了PEDOT-PSS对电极电化学性能的影响。结果表明PEDOT-PSS具有良好的粘接效果,PEDOT-PSS/AC电极比容量为108.8F/g(0.5A/g),经4000次充放电后,电极容量衰减率为9.93%,循环性能良好;当电流密度倍增到5A/g时,电极容量降低10.4%,达到97.5 F/g,表明复合电极具有良好的比容量稳定性。基于PEDOT-PSS/AC电极组装的2.3V10F超级电容器具有优良的电容特性及循环稳定性,经10000次循环充放电后,其能量密度仅衰减1.3%,功率密度保持不变。3、采用循环伏安法及恒电流法分别制备了二氧化锰(MnO2)电极薄膜。扫描电镜分析发现循环伏安法制备的MnO2电极薄膜由不规则的纳米片堆叠组成,具有较大的比表面积。在1A/g的电流密度下,电极比容量为263.3F/g,4000次循环后,容量保持率为74.98%。采用循环伏安法在ITO衬底上制备了MnO2-PEDOT层间复合薄膜,其比容量为221.6F/g(1A/g),4000次循环后的容量保持率为84.93%。然后在在碳纤维布(CC)上采用相同方法制备了MnO2/PEDOT层间复合薄膜,获得了CC/MnO2/PEDOT三相复合柔性电极,该复合电极的比容量为196.4F/g(1A/g),4000次循环后的容量保持率为95.1%。将柔性电极组装成的柔性超级电容器具有良好的柔韧性,其能量密度为5.27 Wh/kg,500次充放电后,容量保持率大于90%。4、采用改进的Hummers法及水合肼化学还原法制备了还原氧化石墨烯(RGO)材料,并采用原位聚合法将RGO与PEDOT-PSS复合,制备了PEDOT-PSS/RGO纳米复合自支撑电极。通过调整EDOT单体与RGO的比例,优化了自支撑电极的电化学性能,当电流密度为0.5A/g时,PEDOT-PSS/RGO(质量比1:1)电极的比容量为193.7F/g,4000次循环后,电极的容量衰减率为13.1%,具有优良的循环寿命特性,当电流密度增大到3A/g时,容量保持率为81.3%。5、首次采用化学原位聚合方法在RGO Langmuir-Blodgett(LB)膜上制备了PEDOT多孔结构。通过控制聚合过程的温度及升温速率,优化了多孔PEDOT电极的微观结构。当升温速率为30℃/min时,PEDOT/RGO LB复合超薄膜具有连续的、规则的网络微孔结构,复合膜的电导率达到306.2S/cm。多孔复合薄膜的比表面积大,有利于电解液与电极充分接触,其比容量为267.1F/g(0.5A/g)。进一步研究表明,经过4000次循环后,比容量保持率接近90%,具有优良的循环稳定性。当电流密度增大到1.5A/g时,电极的容量保持率为82.97%。6、采用溶液聚合法合成了导电聚合物聚-9,10-蒽醌(PAQ)及聚-1,2-二氨基-9,10-蒽醌(PAAQ),并研究其电化学特性。结果表明,纯PAQ及PAAQ电极的比容量较低,仅为28.6及69.8F/g。但由于PAQ及PAAQ具有平面型共轭结构,使得聚合物电极均具有良好的循环稳定性,经过4000次循环,比容量保持率在90%以上。原位聚合法制备的PAAQ修饰AC复合电极的比容量为207.8F/g(100mA/g),经过4000次恒电流充放电后,其容量保持率在90%以上。当电流密度增加到500mA/g时,其电极容量损失了10.4%,具有良好的循环稳定性及较好的电容特性。
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