【摘要】：便攜式電子設(shè)備的高速發(fā)展,對儲能器件提出了更高的要求,不僅要能儲存更多的能量,而且需要具有機械韌性,甚至是柔軟的。目前市場上沒有一款儲能產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能,因此我們設(shè)計了一系列基于碳布的柔性超級電容器,期望能夠滿足市場對柔性儲能產(chǎn)品的需求。本研究選用商用高導(dǎo)電性活性碳纖維布作為基底材料,通過電化學(xué)活化、化學(xué)氣相沉積法和高溫鍛燒等物理化學(xué)方法提高碳布電化學(xué)性能,或者復(fù)合電化學(xué)活性材料(碳納米管、過渡金屬氧化物),作為柔性超級電容器的電極材料;使用凝膠電解質(zhì),組裝成一系列柔性全固態(tài)儲能器件。具體為活化碳布組裝的超級電容器(S1)、納米鎳顆粒/多壁碳納米管對稱型贗電容超級電容器(S2)和金屬氧化物膜/多壁碳納米管非對稱型全贗電容超級電容器(S3)。器件S1將碳纖維布2V恒電壓陽極氧化后,通過1000℃以上高溫鍛燒處理,其容量較未處理的碳布提高了 100倍以上,其面積容量可以達(dá)到0.01mAh/cm2,且制作工藝簡單環(huán)保,適合工業(yè)化量產(chǎn)。器件S2使用一步合成的納米鎳顆粒/多壁碳納米管作為同樣的正、負(fù)極,既能利用嵌入其中的高活性鎳顆粒在正電壓區(qū)間的法拉第電容,又可以利用碳納米管在負(fù)電壓區(qū)間的雙電層電容,且通過調(diào)配二者容量相當(dāng),實現(xiàn)容量利用率最大化,在恒電流測試條件下,電流密度為50 mA/cm2時,其電容量為0.288 F/cm2。使用兩個完全相同的Ni//CNTs電極組裝成對稱型超級電容器,充電僅五秒后,能成功地驅(qū)動一個小型電動馬達(dá)持續(xù)轉(zhuǎn)動1分鐘。本研究首次制成了可不區(qū)分正負(fù)極、正反向均能充電的對稱型贗電容超級電容器。器件S3使用包覆過渡金屬氧化物活性材料(氧化鎳和氧化鐵)的稠密網(wǎng)狀多壁碳納米管分別作為正、負(fù)極,提高導(dǎo)電碳布的空間利用率,且通過正負(fù)極法拉第反應(yīng),提供更大的贗電容容量,在恒電流測試條件下,電流密度為5 mA/cm2時,正極電容量為2.23 F/cm2,負(fù)極電容量為2.42 F/cm2。具有穩(wěn)定的放電電壓1.2 V,其能量密度與電池相當(dāng),全電容能量密度可達(dá)1 mAh/cm2。該系列儲能器件均具有優(yōu)異的機械柔韌性,倍率性能高,循環(huán)性優(yōu)越,并各有特色,適用于不同的場合,具有廣泛的市場應(yīng)用前景。
【圖文】：

Ｔｉｍｅ（Ｓｅｃ）邐Ｔｉｍｅ（Ｓｅｃ）逡逑圖２－１邋（ａ）為在＋２．５Ｖ恒電位極化１０分鐘下極化電流隨時間的變化，（ｂ）為在－２．５Ｖ恒電逡逑位極化１０分鐘下極化電流隨時間的變化。逡逑

絎宦畚模X婦3Y嵬ＡＳＴＥＲ＇ＳP裕齲牛櫻桑櫻]3?將正電位極化后的碳布繼續(xù)在硫酸中負(fù)電位－２．５Ｖ極化１０分鐘，，從圖２－１邋（ｂ）逡逑極化電流隨時間的變化數(shù)據(jù)可以看出，與正電位極化剛好相反，極化電流絕對值隨逡逑著時間增大，說明在負(fù)電位極化過程中，碳布電阻變小。原因是在負(fù)電位碳布部分逡逑表面官能團(tuán)得到電子被還原成碳，失去含氧官能團(tuán)后碳布含導(dǎo)電性變好。逡逑ｍｍ＾：｝邋：－邋■逡逑Ｉ逡逑■邋：Ｍ逡逑圖２－２邋（ａ）、（ｂ）、（ｃ）和（ｄ）分別為未處理純碳布、正電位極化后碳布、負(fù)電位極化后碳布和逡逑高溫煅燒后的碳布的掃描電子顯微鏡照片。逡逑為了進(jìn)一步改善恒電壓極化后碳布的導(dǎo)電性，將碳布在管式爐中惰性氣體氛圍逡逑保護(hù)下，１１００°Ｃ高溫鍛燒３０分鐘，完全除去其表面的含氧官能團(tuán)。未處理碳布、逡逑正電位極化后碳布、負(fù)電位極化后碳布以及高溫煅燒處理后的碳布纖維表面掃描電逡逑子顯微鏡（ＳＥＭ）照片分別如圖２－２所示。圖中可看出，恒電位極化過程碳布并未逡逑對碳布纖維表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯改變，在１００００倍放大倍率下，正、負(fù)電位極化后的逡逑碳布纖維表面與未處理碳布纖維表面沒有明顯區(qū)別。但是１１００°高溫qF燒處理后的逡逑＇碳布纖維表面發(fā)生明顯的變化
【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM53

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本文編號：2522955