论文部分内容阅读
柔性超级电容器在柔性传感、摩擦纳米发电等领域有极大的应用潜力。聚吡咯导电纸因其较高的理论比电容、较的低成本,成为了国内外的研究热点。然而,使用多层原位自组装技术制备的聚吡咯导电纸目前还存在负载不均匀、负载量低以及力学性能不佳的问题,制约了其在超级电容领域的应用。解决上述问题对推动聚吡咯导电纸在柔性超级电容中的应用,促进柔性超级电容朝着高性能、低成本、绿色的方向发展具有重要的意义。本论文采用多层原位自组装技术制备聚吡咯导电纸,通过纸张内部结构调控和高聚合度木浆纤维改性来提升聚吡咯导电纸的负载均匀性、负载量及其力学性能。首先,以再生纤维素溶液浸渍纸张,并通过冷冻干燥使其在纸张纤维间形成膜状结构,赋予纸张内部更多的负载位点,结合吸水纸吸液技术,实现聚吡咯在纤维表面的均匀负载和负载量的提升。在此基础上,以高聚合度木浆纤维作为为增强纤维添加到纸张中,不仅提高聚吡咯导电纸力学性能的同时,较好地保留了优异的电学性能。通过FT-IR、SEM、四探针测试、电化学测试等测试技术对聚吡咯导电纸的微观结构和物化性质进行了表征。以制备的聚吡咯导电纸作为电极组装固态超级电容器,研究了其超级电容器的性能。主要研究结论如下:（1）针对聚吡咯负载量低和负载不均匀的问题,本论文利用再生纤维素浸渍纸张结合冷冻干燥技术在纸张内部搭建再生纤维素膜状结构,为聚吡咯提供更加密集的负载位点,进而提升了的聚吡咯导电纸的电化学性能。聚吡咯导电纸的电导率的增幅可达129%,面积比电容的增幅可达81%。接着进一步探究了再生纤维素的浓度和聚合度对聚吡咯导电纸性能的影响,获得了最佳的聚吡咯导电纸制备工艺。随着再生纤维素浓度的上升,聚吡咯导电纸的电化学性能呈现先增大后减小的趋势,而力学性能则与再生纤维素的浓度变化呈正相关;再生纤维素聚合度的升高可以提升聚吡咯导电纸的电化学性能和力学性能。本论文所得的最适宜的浓度为0.59 wt%,聚合度为266,该样品电导率达到4.35 S?cm-1,最大比电容为2984 m F?cm-2,且呈现出良好的弯曲稳定性。组装的柔性超级电容器,最大比电容可达到1127 m F?cm-2,最高能量密度和最高功率密度分别为106μWh?cm-2和3.49 m W?cm-2。（2）针对聚吡咯导电纸的力学性能低的问题,本论文从提升纸张力学性能出发,采用高聚合度木浆纤维和羧甲基化松木纤维为增强纤维来提升纸张的力学性能。高聚合度木浆纤维不仅提升了显著提升聚吡咯导电纸的力学性能,而且几乎不影响聚吡咯导电纸的电化学性能。高聚合度木浆纤维增强的纸张抗张强度达到37.9 MPa,制备的聚吡咯导电纸抗张强度为22.7 MPa,与使用普通纤维的聚吡咯导电纸相比,其强度提升103%。组装的柔性超级电容器最大比电容可达到781 m F?cm-2,最大能量密度和最大功率密度分别为64μWh?cm-2和1.89 m W?cm-2。