基于廉價碳氈的柔性電極的制作及其電化學性能研究
發(fā)布時間：2020-05-27 16:29
【摘要】：柔性儲能器件制作的關鍵技術在于把電極柔性化,并通過器件封裝工藝使之具有良好的環(huán)境適應性和化學穩(wěn)定性。其中,電極材料的種類、結構、成分對器件的電化學性能有著決定性的影響。當前的大部分自支撐碳基電極材料存在合成路線復雜、成本較高的問題。本論文研究以廉價的商用碳氈(CF)為原材料,通過活化工序獲得了高電化學活性的柔性電極材料,并基于這些柔性電極材料組裝制備出了性能優(yōu)異的柔性超級電容器和鋅離子電池。其論文主要內容如下:(1)選用低成本的商用碳氈,通過堿液浸漬、冷凍真空干燥以及高溫煅燒等過程得到了柔性活化碳氈材料(ACF)�；罨蟮腁CF纖維表面產生了大量的微孔和介孔,這些多孔結構提升了材料的儲能能力。對ACF進行電化學性能測試,在0.5 mA cm~(-2)電流密度下,其面積比容量高達1441 mF cm~(-2),高于絕大多數(shù)文獻中報道的同類電極材料,顯示了出色的電化學性能。將該ACF作為超級電容器的負極,碳布上電沉積MnO_2作為正極,組裝了不對稱超級電容器,其能量密度可達0.283 mWh cm~(-2)。為了探究ACF在實際應用中的可行性,使用聚乙烯醇凝膠電解液代替液態(tài)電解液,從而進一步制作了全固態(tài)不對稱超級電容器,其能量密度仍可達0.104 mWh cm~(-2),并且保持了優(yōu)異的抗彎曲性能。這些結果說明了ACF在制備柔性超級電容器方面具有很好的應用前景。(2)通過循環(huán)伏安法在ACF上進一步電沉積聚苯胺(PANI),得到了PANI@ACF復合材料。以PANI@ACF作為正極,金屬Zn片作為負極,組裝成鋅離子電池PANI@ACF//Zn體系。ACF的雙電層電容和PANI的氧化還原雙重容量貢獻提升了鋅離子電池的比容量。在1.0 mA cm~(-2)的電流密度下,PANI@ACF//Zn的比容量分別為可達到106.9 mA h g~(-1)。用鍍鋅碳布Zn@CC代替金屬Zn片作為柔性負極,組成的PANI@ACF//Zn@CC鋅離子電池體系其比容量僅略有下降,為105.4 mA h g~(-1)。使用聚丙烯酰胺制備水凝膠電解液,進一步制作了全固態(tài)鋅離子電池,其在0.3 mA cm~(-2)的電流密度下,比容量為25 mA h g~(-1)。這些結果表明了ACF及PANI@ACF復合材料在柔性鋅離子電池應用方面具有較好潛力。
【圖文】：
以普通打印紙作為襯底，首次實現(xiàn)了在打印電極上用化學刻蝕方式合成二維儲能材料，制備方法如圖1.1 所示。該電容在 10 mV s-1的掃描速率下，比容量為 384.2 mF cm-2，10000 次充放電循環(huán)后容量保持率仍有 80%。圖 1.1 高性能紙基柔性純固態(tài)超級電容器合成示意圖Figure 1.1 Schematic of synthesis of high performance paper-based flexible solid state supercapacitor中科院大連化物所吳忠?guī)浹芯繄F隊等[33]以堿化 MXene（MXenes 是二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物的總稱）納米帶作為硫負載基體（a-Ti3C2），以 d-Ti3C2納米片作為中間層限制多硫化物的穿梭效應，從而構筑了全 MXene 基硫正極。最后以 PP 為柔性基底，先將 d-Ti3C2納米片分散液在 PP 隔膜上抽濾成膜，得到 d-Ti3C2/PP薄膜；后將 a-Ti3C2-S 與導電劑、粘結劑一起混合均勻涂覆在 d-Ti3C2/PP 薄膜上，得5
圖 1.2 使用 CVD 石墨烯膜的固態(tài)柔性 MG-MSC 的電極設計示意圖Figure 1.2 Schematic of design of solid-state flexible MG-MSC electrode of using CVD graphene film武漢大學袁荃[39]成功地制備了一種具有良好倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性的柔性核-殼式三明治狀 CNT-Si-C 海綿體負極。其合成方法如下：首先通過 CVD 法合成了 CNT海綿，然后以該 CNT 海綿為基底，通過溶膠凝膠法合成核-殼式 CNT SiO2，最后以金屬鎂粉為還原劑，以鎂熱還原反應將 SiO2還原，從而制得了核-殼式三明治狀CNT-Si-C 海綿體。合成路線如圖 1.3 所示。將材料作為鋰離子電池柔性電極時，展示了優(yōu)異的電化學性能。電流密度為0.5 A g-1時，首次放電比容量可達2100 mAh g-1，500 次循環(huán)后容量仍有 1800 mAh g-1，展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。當電流密度增大到4 A g-1時，其放電容量可以保持在 1700 mAh g-1，，而電流密度重新回到 0.5 A g-1時，容量恢復到了初始容量，表現(xiàn)出了出色的倍率性能。
【學位授予單位】：浙江農林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM53;TM912;O646.5
本文編號：2683814
【圖文】：
以普通打印紙作為襯底，首次實現(xiàn)了在打印電極上用化學刻蝕方式合成二維儲能材料，制備方法如圖1.1 所示。該電容在 10 mV s-1的掃描速率下，比容量為 384.2 mF cm-2，10000 次充放電循環(huán)后容量保持率仍有 80%。圖 1.1 高性能紙基柔性純固態(tài)超級電容器合成示意圖Figure 1.1 Schematic of synthesis of high performance paper-based flexible solid state supercapacitor中科院大連化物所吳忠?guī)浹芯繄F隊等[33]以堿化 MXene（MXenes 是二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物的總稱）納米帶作為硫負載基體（a-Ti3C2），以 d-Ti3C2納米片作為中間層限制多硫化物的穿梭效應，從而構筑了全 MXene 基硫正極。最后以 PP 為柔性基底，先將 d-Ti3C2納米片分散液在 PP 隔膜上抽濾成膜，得到 d-Ti3C2/PP薄膜；后將 a-Ti3C2-S 與導電劑、粘結劑一起混合均勻涂覆在 d-Ti3C2/PP 薄膜上，得5
圖 1.2 使用 CVD 石墨烯膜的固態(tài)柔性 MG-MSC 的電極設計示意圖Figure 1.2 Schematic of design of solid-state flexible MG-MSC electrode of using CVD graphene film武漢大學袁荃[39]成功地制備了一種具有良好倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性的柔性核-殼式三明治狀 CNT-Si-C 海綿體負極。其合成方法如下：首先通過 CVD 法合成了 CNT海綿，然后以該 CNT 海綿為基底，通過溶膠凝膠法合成核-殼式 CNT SiO2，最后以金屬鎂粉為還原劑，以鎂熱還原反應將 SiO2還原，從而制得了核-殼式三明治狀CNT-Si-C 海綿體。合成路線如圖 1.3 所示。將材料作為鋰離子電池柔性電極時，展示了優(yōu)異的電化學性能。電流密度為0.5 A g-1時，首次放電比容量可達2100 mAh g-1，500 次循環(huán)后容量仍有 1800 mAh g-1，展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。當電流密度增大到4 A g-1時，其放電容量可以保持在 1700 mAh g-1，，而電流密度重新回到 0.5 A g-1時，容量恢復到了初始容量，表現(xiàn)出了出色的倍率性能。
【學位授予單位】：浙江農林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM53;TM912;O646.5
【參考文獻】
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1 徐浩;延衛(wèi);馮江濤;;聚苯胺的合成與聚合機理研究進展[J];化工進展;2008年10期
本文編號：2683814
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