织物基柔性电极构建及超级电容性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:andychinajj
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近年来,随着可穿戴电子产品的智能化、便携化和多功能化发展,对柔性能源存储设备提出了新的要求与挑战。柔性超级电容器因其装配简单,操作安全,环境友好等优点,引起了研究人员的广泛关注。如何通过有效的结构设计制备高界面稳定性和良好兼容性的柔性电极和凝胶电解质来满足柔性器件在不同形变条件下稳定的能量输出是目前亟待解决的问题。相比于其他的柔性电极,织物基电极因其独特的物理化学性质,可以最大程度的释放连续形变过程中产生的内应力,并且完美的植入到柔性可穿戴电子产品中。高导电的二维材料MXene和还原氧化石墨烯(RGO)具有高的比表面积和大的片层结构,有利于对织物基底进行导电化处理。作为一种传统的凝胶电解质,聚丙烯酰胺(PAM)具有高的离子电导率,但是通常遭受差的机械性能。细菌纤维素(BC)具有高的杨氏模量,丰富的表面含氧官能团以及良好的生物相容性等优点,常作为材料的增强剂。结合以上材料的优势,本课题制备了具有良好电化学性能和优异机械柔性的织物基复合柔性电极以及良好兼容性的BC/PAM凝胶电解质。以聚乙烯亚胺(PEI)修饰的聚酯织物为柔性基底(PMFF),静电自组装MXene,然后原位聚合吡咯,制备高柔性和高导电的PPy/MXene/PMFF复合柔性电极。通过力学性能表征发现该柔性电极表现出超高的柔性,可以很容易实现弯曲、折叠、扭曲、甚至编织成不同的形状。在1 M Na2SO4电解液中,对该柔性电极施加1 mA cm-2电流时,其面积比电容能够达到1295 mF cm-2,当电流密度提高50倍时,其容量保持率依然可以达到82%。并且在30000次充放电循环后,容量只衰减5.2%。说明良好的结构设计有助于电极电化学性能的提高。将该柔性电极组装对称电容器发现,其最大的面积能量密度和面积功率密度分别可以达到40.7μWh cm-2和25 mW cm-2,且在30000次循环后,其容量保持率为93.7%,同样表现出良好的循环稳定性。分别以二氯亚锡(SnCl2)功能化的聚酯织物(M-PEFT)和纱线(M-PEFY)为柔性基底,静电自组装RGO,再化学聚合PPy,制备了大面积的PPy/RGO/M-PEFT织物电极和超长的PPy/RGO/M-PEFY纱线电极。制备的织物电极和纱线电极均表现出优异的机械柔性。在1mA cm-2的电流密度下,PPy/RGO/M-PEFT电极可以达到1117 mF cm-2的面积比电容,并且在10000次循环后容量没有出现衰减。组装对称器件最优的面积能量/功率密度可以达到65.8μWh cm-2/25 mW cm-2,并且在10000次充放电循环后,容量保持率在100%。且在不同的弯曲变形条件下,该柔性装置依然可以保持稳定的电容值。对PPy/RGO/M-PEFY电极的电化学性能测试表明,该纱线电极同样具有良好的电化学表现。在0.13 mA cm-1电流密度下,该纱线电极的面积/长度/质量/体积比电容分别可以达到699.6 mF cm-2/175.7 mF cm-1/239.6 F g-1/35 F cm-3。组装对称电容器装置后其面积能量密度和面积功率密度可以达到47.2μWh cm-2和26.5 mW cm-2。以聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)功能化修饰的聚酯织物(PMFT)为柔性基底,静电自组装RGO,然后通过低温氧化聚合制备PANI/RGO/PMFT复合柔性电极。同时,通过简单的自由基聚合和化学交联的方式制备BC增强的PAM凝胶电解质(BC/PAM)。对PANI/RGO/PMFT表征发现,在1 M H2SO4电解液中,该柔性电极的面积比电容为1221 mF cm-2,10000次充放电循环后,容量保持率为94.4%,并且在2000次反复弯曲测试后,其容量保持率依然可以达到97.9%,表现出超高的抗变形能力。对BC/PAM表征发现,该凝胶电解质表现出良好的机械柔性,拉伸长度可以达到初始长度的1300%,拉伸强度可以达到330 k Pa,以及超高的离子电导率(125 mS cm-1)。将制备的柔性电极和凝胶电解质(BC/PAM)装备为柔性准固态对称器件,当施加1 mA cm-2电流时,该柔性装置的面积比电容可以达到564 mF cm-2,最优的能量密度和功率密度分别可以达到50.1μWh cm-2和20 mW cm-2。对该柔性装置在不同弯曲次数和不同弯曲状态的截面显微镜图像表明,制备的电极和凝胶电解质表现出高的界面稳定性和兼容性。
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