柔性超级电容器的制备及其性能研究

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随着可穿戴智能电子储能器件的快速发展,作为电力能源的柔性超级电容器的研究变得越来越重要。对于自修复、可拉伸柔性超级电容器来说,在弯曲变形或者可拉伸时,自修复能力对于恢复柔性超级电容器的机械完整性、电化学性能尤为重要。与此同时超疏水由于其自清洁等优异性能而引起了科学界的强烈关注。因此,将自修复、超疏水多功能集成到储能设备中,将为储能器件的研究提供一个新的思路。因此,本文设计了一种巧妙的制备方法并成功的构建出自修复、超疏水一体式的柔性超级电容器。具体研究如下:(1)根据超疏水理论分析了自然界中的超疏水现象,并由此现象得出要想获得超疏水表面,构建一定程度的表面微观结构是至关重要的。为了避免组装多层结构变形时的移位和分层以及水凝胶溶胀和脱水的影响,使柔性超级电容器具有可控的表面润湿性和疏水性,因此,本文通过将柔性超级电容器与超疏水涂层技术相结合,制备了超疏水、自修复一体式柔性超级电容器。以PVA/HNO3水凝胶作为电解质材料,无需冷冻/解冻过程即可实现自修复能力。以石墨烯和碳纳米管作为电极材料,表面改性后将由石墨烯和多壁碳纳米管组成的疏水性悬浮液喷涂到水凝胶电解质的两侧,以构建超疏水电极。这种电极和电容器的制备思路为进一步研究柔性储能器件铺平了道路。(2)本文研究了镍-钴-碳协同作用下在超疏水柔性超级电容器中的应用。无粘合剂的碳-镍-钴电极也表现出优异的电容性能,组装好的柔性超级电容器表现出优异的自修复能力以及循环稳定性。固态水凝胶在最高应力1870KPa时断裂伸长率为400%。体现了柔性超级电容器优异的拉伸率。在经历了常温下2000次循环后,电容达到了75.4%的电容保持率,在水中测试2000次循环稳定后,电容保持率竟然达到了72.4%,充分体现了优异的超疏水能力和稳定的电化学性能。经过20个循环周期的中断/修复过程后,比电容保持率仍可保持85.3%,体现了优异的自修复能力。这些优点使得柔性超级电容器在柔性电子器件领域具有广阔的应用前景。因此超疏水柔性超级电容器可作为下一代用于超疏水柔性自修复电化学储能设备。
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