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随着时代的发展,越来越多的智能产品问世,而这些智能产品中都需要用到柔性超级电容器。实现柔性超级电容器的关键是设计和制备兼具优良电化学性能(高容量、优良的倍率特性、循环稳定性)与力学性能的电极材料,即电极材料在发生剧烈形变时仍然具有优良的电化学性能。
为此,本文以具有优良导电性的和力学柔韧性的氧化石墨烯条带(GO-ribbon)为基体,以聚苯胺为电化学活性物质,以聚乙烯醇(PVA)为柔性单元,通过原位聚合-化学还原联用法制备了石墨烯条带(RGO-ribbon)/PANI-PVA(PRP)柔性复合电极材料,详细地考察了制备工艺对材料的微观结构以及电化学和力学性能的影响,探讨了材料的合成机理及储能机理。在此基础上,以H2SO4/PVA为凝胶电解液,组装了全固态柔性超级电容器,并重点研究了剧烈形变下器件的电化学稳定性。具体内容如下:
(1)以GO-ribbon为基体,通过原位聚合反应使聚苯胺(PANI)沉积在GO-ribbon表面,在聚合的过程中,添加部分含有硼酸官能团的苯胺单体,利用硼酸与PVA分子间的缩合反应,实现PVA与氧化条带石墨烯/PANI电极材料在分子水平上的交联,进一步通过氢碘酸还原法制备了PRP柔性电极材料。详细地考察了石墨烯基体的形态,苯胺的含量,交联剂的含量等对材料的微观结构和电化学性能的影响。研究结果表明,包裹在聚苯胺内部的RGO-ribbon不仅起到支撑与导电骨架的作用,而且通过聚苯胺链条互相搭连形成大孔洞的网状孔洞结构,从而有利于电子以及离子在材料内部的快速传输。同时由条带石墨烯和PVA组成的柔性骨架能还能抑制聚苯胺在连续充放电过程中的体积膨胀与收缩导致的基体导电网络的破坏,因此该材料不仅具有高的容量,还具有良好的倍率性能和优良的循环稳定性。
(2)在材料电化学测试的基础上,进一步对PRP进行了力学性能测试,研究结果表明由条带石墨烯和PVA组成的弹性网络显著提高了材料拉伸强度(拉伸断裂应力为31Pa,拉伸断裂形变为77.25%)和压缩强度(138Mpa(压缩形变为70%))。基于此,以H2SO4/PVA为凝胶电解质,以PRP为柔性电极材料,组装了三明治型的柔性全固态超级电容器,该固态高级电容器不仅具有优良的电化学性能,而且还具有优良的力学稳定性。经过1000次弯曲180°的机械折叠以后,该柔性全固态超级电容器的比容量仍可以保持其初始值的93.97%。
为此,本文以具有优良导电性的和力学柔韧性的氧化石墨烯条带(GO-ribbon)为基体,以聚苯胺为电化学活性物质,以聚乙烯醇(PVA)为柔性单元,通过原位聚合-化学还原联用法制备了石墨烯条带(RGO-ribbon)/PANI-PVA(PRP)柔性复合电极材料,详细地考察了制备工艺对材料的微观结构以及电化学和力学性能的影响,探讨了材料的合成机理及储能机理。在此基础上,以H2SO4/PVA为凝胶电解液,组装了全固态柔性超级电容器,并重点研究了剧烈形变下器件的电化学稳定性。具体内容如下:
(1)以GO-ribbon为基体,通过原位聚合反应使聚苯胺(PANI)沉积在GO-ribbon表面,在聚合的过程中,添加部分含有硼酸官能团的苯胺单体,利用硼酸与PVA分子间的缩合反应,实现PVA与氧化条带石墨烯/PANI电极材料在分子水平上的交联,进一步通过氢碘酸还原法制备了PRP柔性电极材料。详细地考察了石墨烯基体的形态,苯胺的含量,交联剂的含量等对材料的微观结构和电化学性能的影响。研究结果表明,包裹在聚苯胺内部的RGO-ribbon不仅起到支撑与导电骨架的作用,而且通过聚苯胺链条互相搭连形成大孔洞的网状孔洞结构,从而有利于电子以及离子在材料内部的快速传输。同时由条带石墨烯和PVA组成的柔性骨架能还能抑制聚苯胺在连续充放电过程中的体积膨胀与收缩导致的基体导电网络的破坏,因此该材料不仅具有高的容量,还具有良好的倍率性能和优良的循环稳定性。
(2)在材料电化学测试的基础上,进一步对PRP进行了力学性能测试,研究结果表明由条带石墨烯和PVA组成的弹性网络显著提高了材料拉伸强度(拉伸断裂应力为31Pa,拉伸断裂形变为77.25%)和压缩强度(138Mpa(压缩形变为70%))。基于此,以H2SO4/PVA为凝胶电解质,以PRP为柔性电极材料,组装了三明治型的柔性全固态超级电容器,该固态高级电容器不仅具有优良的电化学性能,而且还具有优良的力学稳定性。经过1000次弯曲180°的机械折叠以后,该柔性全固态超级电容器的比容量仍可以保持其初始值的93.97%。