【摘要】：超級電容器因具有功率密度高、充放電快、循環(huán)壽命長等優(yōu)點成為電化學(xué)能量存儲領(lǐng)域的熱點,目前具有電致變色功能的超級電容器的研制是超級電容器研究領(lǐng)域重要的研究方向之一。導(dǎo)電聚合物往往同時具備電致變色和贗電容特性,在電致變色-超級電容器的研制中具有重要的作用,而吲哚類導(dǎo)電聚合物因具備良好的氧化還原活性、熱穩(wěn)定性以及導(dǎo)電性被廣泛研究和應(yīng)用。納米陣列微觀結(jié)構(gòu)可以有效提高導(dǎo)電聚合物材料的電致變色性能和電容性能,能夠改善導(dǎo)電聚合物的電化學(xué)穩(wěn)定性。本論文制備了具有納米線陣列結(jié)構(gòu)的聚(6-羧基吲哚)(PICA)和聚(6-羧基吲哚)/TiO_2(PICA/TiO_2)納米復(fù)合材料,對材料的電化學(xué)性能、電致變色性能以及電容性能進(jìn)行了研究,基于上述材料制備了兩種電致變色-超級電容器,對器件的性能進(jìn)行了測試,并探索了器件的實際應(yīng)用。1、首次通過恒電流法制備了具有納米線陣列結(jié)構(gòu)的PICA導(dǎo)電聚合物薄膜。對該薄膜進(jìn)行了電化學(xué)性能表征,研究發(fā)現(xiàn)該聚合薄膜具有良好的氧化還原活性和穩(wěn)定性。利用光譜電化學(xué)研究了聚合薄膜的電致變色性能,研究結(jié)果顯示該聚合物薄膜能夠在黃色、綠色和棕色之間可逆轉(zhuǎn)變,并且具有大的光對比度和高的著色效率,在490 nm處,聚合物薄膜的最大光對比度為33%,著色效率為142 cm~2C~(-1)。通過充放電測試對聚合薄膜的電容性能進(jìn)行了表征,研究結(jié)果表明當(dāng)充電電流密度為0.1 mA cm~(-2)時,該聚合薄膜的面積比電容為16.20 mF cm~(-2)。對聚合薄膜進(jìn)行了連續(xù)充放電穩(wěn)定性測試,該聚合薄膜顯示出了良好的電化學(xué)穩(wěn)定性,經(jīng)過500圈連續(xù)充放電后薄膜的電容量仍有93%存在。2、基于PICA納米線陣列制備了電致變色-超級電容器。該器件存儲能量的同時伴隨著顏色變化,器件可以實現(xiàn)從黃色到深綠色的轉(zhuǎn)變,通過顏色變化可監(jiān)測器件的儲能情況。對該電致變色-超級電容器進(jìn)行了充放電測試,研究結(jié)果表明,當(dāng)充放電電流密度為0.05 mA cm~(-2)時,該器件的面積比電容為4.3 mF cm~(-2)。該器件充電后可以作為電源點亮LED燈持續(xù)90 s。研究了器件充放電穩(wěn)定性,測試結(jié)果表明該器件具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性,經(jīng)過1000圈循環(huán)以后,比電容為3.8 mF cm~(-2),仍保持89%的電容量。3、利用水熱反應(yīng)在FTO透明導(dǎo)電玻璃上制備了具有納米線陣列結(jié)構(gòu)的TiO_2薄膜,通過恒電流法在TiO_2薄膜電極上制備了具有納米線陣列結(jié)構(gòu)的PICA/TiO_2納米復(fù)合材料。電化學(xué)研究表明,該復(fù)合材料自身可進(jìn)行穩(wěn)定可逆的氧化還原反應(yīng)。通過充放電測試研究了該復(fù)合材料的電容性能,在電流密度為0.05 mA cm~(-2)時,復(fù)合材料電極的面積比電容為23.45 mF cm~(-2)。電化學(xué)交流阻抗研究表明,該復(fù)合材料電極電阻為80Ω,具有良好的導(dǎo)電性和離子傳輸能力。光譜電化學(xué)測試表明,該復(fù)合材料在-0.5到2.1 V之間可以實現(xiàn)在黃色-綠色-褐色之間的可逆顏色變化。動力學(xué)研究顯示,在720 nm處復(fù)合材料的光對比度達(dá)到36%,從氧化態(tài)到還原態(tài)的響應(yīng)時間為2.4 s,還原態(tài)到氧化態(tài)的時間為1.2 s。電化學(xué)穩(wěn)定性測試結(jié)果表明,與PICA相比該復(fù)合材料的穩(wěn)定性有了明顯提高。4、基于PICA/TiO_2納米陣列復(fù)合材料構(gòu)建了電致變色-超級電容器。器件充電時,發(fā)生電致變色現(xiàn)象并儲存電能。對器件進(jìn)行了電化學(xué)性能表征,研究發(fā)現(xiàn)該器件具備良好可逆的氧化還原活性和氧化還原穩(wěn)定性。通過充放電測試了器件的電容性能,研究結(jié)果表明在充放電電流密度為0.1 mA cm~(-2)時,器件的比容量為5.2 mF cm~(-2),器件的內(nèi)部等效電阻約為90Ω,具有良好的離子傳輸能力。器件可以在黃綠色和褐色之間可逆變化,通過器件的顏色變化可以判斷儲能情況,充電結(jié)束后該器件可以作為電容器供能,點亮LED持續(xù)108 s。經(jīng)過1000圈循環(huán)伏安掃描以后,器件仍保持91%的電容量,表明該器件具有良好的穩(wěn)定性。
【圖文】：

青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文第一章 前言容器容器概述能源短缺已經(jīng)成為全球關(guān)注的重要問題，在這個依賴能源儲功能的電化學(xué)裝置發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，在克服化石著不可或缺的角色。在各種不同的電化學(xué)儲能裝置中超級去的幾十年里一直吸引著學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的目光，由于超高、充放電速率快和循環(huán)壽命長等良好的性能而成為研究容器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如在家用電子產(chǎn)品、運輸、航力備份保護等等方面 (圖 1-1)[1-5]。

青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文個關(guān)鍵組成部分是電解液，一般來說電解質(zhì)有兩種類型：液體電解質(zhì)和固固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)(如 Li2S-P2S5系統(tǒng))和準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)(如：聚合物體于受到低離子導(dǎo)電率的影響限制了超級電容器的快速充放電能力[19]，但是解質(zhì)可以避免液體電解質(zhì)泄露的問題。液體電解質(zhì)可以分為水電解質(zhì)，有質(zhì)和離子液體等，三種具有代表性的水電解質(zhì)為酸性、堿性、中性溶液，，具有較高離子導(dǎo)電率，但電壓窗口較為狹窄。大多數(shù)商業(yè)化的超級電容器機電解質(zhì)，因為有機電解質(zhì)有更大的電壓操作窗口，但有時由于易燃、易揮毒性和不當(dāng)使用造成短路而存在安全風(fēng)險。超級電容器中離子液體電解質(zhì)比較熱門，因為離子液體電解質(zhì)具有很高的電化學(xué)穩(wěn)定性、很小的揮發(fā)性燃性，然而離子液體也存在其不足之處，比如高粘度和高造價，這成為其實際設(shè)備中的絆腳石。.2 超級電容器的研究進(jìn)展
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TM53

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 張麟;杜文雅;Amit Nautiyal;柳禎;張新宇;;納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展:制備,應(yīng)用和展望（英文）[J];Science China Materials;2018年03期

2 王海青;李秀艷;苑再武;周國偉;;p-n異質(zhì)結(jié)NiO/TiO_2納米復(fù)合材料的構(gòu)建及應(yīng)用研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報;2017年S1期

3 李斯文;夏思文;劉璐;徐洋洋;秦琪穎;;導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS研究進(jìn)展[J];化工管理;2016年29期

本文編號：2604667