基于聚吡咯的超级电容器电极研究

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超级电容器(SCs,又被称作电化学电容器)是一种新型的能量储存设备,其具有比传统电容器更高的能量密度,以及比二次电池更高的功率密度和更长的循环寿命。而电极材料在很大程度上影响着SCs的电化学电容性能。聚吡咯(PPy)由于其具有导电率高、容易制备、化学稳定等特征,是目前广泛研究的一种导电聚合物电极材料。与化学氧化法相比,电化学氧化制备PPy电极具有一步制备且不需要引入绝缘粘接剂的特点。然而目前很少有研究调查电聚合条件对所制备PPy电极的电化学电容性能的影响。为此,本文对PPy电聚合过程中所使用的掺杂剂、电聚合模式、参数等条件进行了详细的优化,并通过电化学共沉积的方法合成了核-壳型的聚吡咯/碳纳米管(PPy/CNTs)复合电极,通过本研究促进了聚吡咯在SCs中的应用。本论文的主要内容如下:(1)探究了不同阴离子掺杂剂对电聚合PPy电极电化学电容性能的影响。用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对所制备PPy电极的组分和形貌进行了表征。并用循环伏安法(CV)、恒电流充放电(GCD)以及电化学交流阻抗谱(EIS)等手段进行了电化学性能测试。结果表明,以高氯酸锂为掺杂剂制备的PPy-ClO4电极具有最优异的电化学电容性能,这与其更加优异的形貌特征以及更大的粗糙度有关。(2)详细研究了不同电聚合条件(包括电聚合模式、参数和集流体)对所制备PPy电极电化学电容性能的影响。FT-IR和XRD测试说明以上的制备条件对所制备PPy的成分和晶型结构没有影响。电化学测试表明采用具有高电导率的石墨片作为集流体所制备的PPy电极表现出了更加优异的电容性能。SEM和AFM表征说明恒电流聚合的PPy颗粒与恒电位聚合的PPy颗粒相比展示了更小的团聚度以及更大的粗糙度,因而导致前者具有更好的电化学性能。其中,使用电流密度为2 mA cm-2的恒电流模式制备的PPy电极展现出了最优的电化学电容性能。(3)采用电化学共沉积方法制备了核-壳型的PPy/CNTs复合电极。详细研究了不同的制备条件包括电沉积模式、参数、集流体以及CNTs的羧基化程度对所制备PPy/CNTs电极的电化学性能的影响。SEM表征表明恒电位沉积的PPy/CNTs呈现了紧凑的二维形貌,而恒电流沉积的PPy/CNTs展现了有利的三维多孔的纳米网状微结构。此外,更高羧基化程度的CNTs能够引入更多的PPy,从而导致了更好的电化学性能。优化条件下制备的PPy/CNTs复合电极在0.5 mA cm-2的电流密度下展现了185.3 mF cm-2的面积电容,高的倍率性能以及优异的循环稳定性(在10000圈CV循环后维持了初始电容的88.5%)。
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