纱线状导电聚合物全固态超级电容器构筑及其可穿戴应用研究

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智能可穿戴技术的快速发展促进了柔性传感设备和储能器件这两大模块的进步。灵活轻便的纺织基底成为制备传感电极和储能电极的重要选择。在各类柔性纺织基底中,纱线因其具有良好的可拉伸性、可纺织设计性、重复利用性和亲水性等特性成为了具有发展潜力的新型电极基底。但是,在柔性基底和电化学活性物质的选择时,往往会出现基底表面活性物质沉积不牢固、制备方法繁琐、电化学性能不稳定等问题。因此,本文通过设计不同柔性电极,筛选性能更优异的电极组装纱线状柔性超级电容器,实现储能器件在纺织可穿戴领域的应用。主要研究内容如下:(1)为解决电化学活性物质不易沉积在纱线表面的问题,本文选择不锈钢纱线和不锈钢混纺纱线作为制备柔性电极的基底,通过不同时间梯度的电化学沉积法将活性材料聚苯胺沉积在纱线表面得到电极。实验结果表明,不锈钢混纺纱中纤维素的亲水结构使得纱线表面可以更加牢固的沉积聚苯胺。不锈钢混纺纱经过进一步实验,通过喷涂石墨烯的方法先获得双电层效应,再实现电极表面聚苯胺的沉积。构筑电容器并进行电化学性能测试,经过计算得到电容器面积比电容为782.8 m F/cm2。在经过充放电循环测试后,柔性电容器的电容值可以保持测试前电容值的76%,为制备高性能可穿戴柔性超级电容器提供一条有效途径。(2)为有效提高导电聚合物活性物质稳定的电化学性能,以导电聚合物聚噻吩为活性材料,通过原位聚合法制备聚噻吩电极,再使用山梨醇进行掺杂获得柔性电极。实验结果表明,原位聚合电化学活性物质掺杂后得到的电极具有更加优异的性能,当100 m V/s的扫描速率时,聚噻吩掺杂混纺纱电极的面积比电容可达到128 m F/cm2。实验表明,纱线状超级电容器具有良好的电荷存储能力,在功率密度为0.17 m W/cm2的情况下,其能量密度为10.3μWh/cm2,展示了纱线状柔性超级电容器在可穿戴电子纺织品中的潜力。(3)为实现可穿戴电子设备的应用,用聚噻吩掺杂混纺纱电极构筑可伸缩传感器和柔性超级电容器。若干个纱线状柔性超级电容器串联后,可成功点亮LED灯泡,并设计一个场景记录灯泡亮度。纱线状应变传感器和超级电容器以机织方式作为传感元件和电源织成织物。这种利用传统纺织织造的系统集成自感知、自供电的“一体化”功能,同时仍然可保持穿戴舒适性。具有自感知特性的自供电纺织系统将成为未来智能可穿戴设备的发展方向。综上所述,通过对不锈钢纱线基底的筛选以及聚苯胺和聚噻吩电化学活性物质沉积纱线表面的方式,获得优异电极构筑全固态纱线状超级电容器。进一步对电极的实现多功能探索以及智能可穿戴应用,展现了优异的储能特性和良好的循环稳定性,为未来可穿戴设备在储能器件方面提供了思路。
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