基于MoS2/rGO/CNT复合纤维的柔性固态超级电容器研究

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能源、生命、信息和材料科学是21世纪人类科技发展的主要方向。能量存储技术作为能源技术的重要组成部分,日益受到人们的关注。超级电容器(Supercapacitor,SC)是介于传统电容器和电池之间的一种新型电化学储能器件。具有充放电速度快、功率密度高、循环寿命长和环境污染小等诸多优点,吸引了众多科研者的目光。同时便携式电子器件的普及,要求柔性储能器件有更加好的适应能力。其中,纤维型超级电容器(fiber Supercapacitor,FSC)是一类具有纤维形态的柔性超级电容器。它具有普通超级电容器的存储能力特性,同时,纤维状超级电容器又具有可编织性,可以与传统纺织工业结合,应用在便携式电子器件、电子皮肤等领域。然而,纤维状的超级电容器并不可以完全满足实际需求,因为它较低的能量密度。而影响超级电容器的性能好坏关键在于选择的电极材料。常见的电极材料通常包括导电型聚合物,碳基材料以及过渡型金属化合物。经过研究人员大量的实践发现,只单一使用一种活性材料的超级电容器电化学性能往往不尽如人意。这就需要多种活性材料复合,发挥协同作用,能有效地提升电化学性能。因此,本文以碳纳米管纤维作为柔性电极基底,组装了全固态的纤维状超级电容器,并通过负载赝电容活性材料的方法提升了其性能。碳纳米管是新型碳材料,其网络状的结构具有很多优异的特性,比如优异的电学、力学特性,是一种理想的电极材料。然而,碳纳米管表面由于疏水且具有化学惰性,赝电容活性材料在机械变形下往往会从碳纳米管纤维中掉落,从而导致器件的循环稳定性差。并且,赝电容活性材料常常堆叠,无法充分与电解质离子发生作用,导致电化学性能不稳定。因此,为了制备性能优异的纤维型超级电容器,以氧化石墨烯(GO)为粘结层,涂覆在碳纳米管上,然后再负载赝电容活性材料,制备了碳纳米管纤维基超级电容器。氧化石墨烯能显著增加赝电容活性材料的分散性以及与循环稳定性。以化学气相沉积法通过管式炉制备了碳纳米管纤维,该纤维具有独特的网格多孔结构,表现出较好的机械强度和导电性。然后将碳纳米管纤维浸润到氧化石墨烯水溶液中,使氧化石墨烯包覆碳纳米管获得GO/CNT纤维,再通过水热法将电活性材料MoS2负载到GO/CNT纤维上,制备了MoS2/rGO/CNT复合纤维电极。复合纤维电极比电容为267 F g-1(2 A g-1),在2000次循环后的电容保持率为90%。此外,将两个复合纤维电极组装成对称结构的超级电容器器件,其比电容达到190.4 F g-1(93.2 m F cm-2),基于复合纤维的全固态FSC也表现出出色的机械稳定性,90度角连续弯曲1000次后,比电容仍能保持99%。
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