隨著人們對智能電子設(shè)備性能要求的提高,新一代便攜式、柔性、可穿戴、可折疊電子設(shè)備相繼出現(xiàn),開發(fā)能為之提供能量的輕、薄、柔性的高性能儲能器件成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。其中超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型電化學(xué)儲能器件,它具有充放電速度快、循環(huán)壽命長且環(huán)境友好等優(yōu)勢,被認(rèn)為是未來柔性電源的一個(gè)重要選擇。其中,纖維狀超級電容器不僅具有超級電容器的固有優(yōu)勢,還可以滿足微型化、集成化和柔性化的可穿戴要求。然而,對纖維狀超級電容器的研究還處于起始階段,其相對較低的能量密度嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。如何在不犧牲其較高的功率密度、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性的前提下,制備出既具有優(yōu)異機(jī)械穩(wěn)定性又具有較高能量密度的纖維狀超級電容器是一項(xiàng)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本論文旨在研究具有高能量密度、高功率密度和優(yōu)異機(jī)械穩(wěn)定性的纖維狀超級電容器。首先通過電極材料的可控制備、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及儲荷機(jī)理研究,實(shí)現(xiàn)了 MnO2@ZnO-NWs@CNT、PANI/Graphene@CNT、PANI/3DCS 和CNT-aerogel纖維狀電極的設(shè)計(jì)與構(gòu)建,改善了電極材料的電化學(xué)性能,提高纖維電極的電容性能。在此基礎(chǔ)上,通過器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化構(gòu)建非對稱結(jié)構(gòu)超級電容器,且通過采用新型電解液來拓寬器件的工作電壓窗口。具體研究內(nèi)容如下:1.采用水熱法在CNT纖維表而生長ZnO納米線陣列,然后在其表面生長MnO2薄膜層,制得復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的MnO2@ZnO-NWs@CNT電極材料。利用ZnO納米線陣列的高比表面積可提高活性物質(zhì)的負(fù)載量,從而提升復(fù)合電極的電容量,在0.5 mA電流下的比電容值最高為386.1 μF/cm3。根據(jù)正負(fù)電極材料不同的電壓窗口,設(shè)計(jì)構(gòu)建了MnO2@ZnO-NWs@CNT//CNT纖維狀非對稱超級電容器(FASC),器件的電壓窗口擴(kuò)寬至0～1.8V,并具有13.25μWh/cm2的高能量密度。另外,FASC具有出色的機(jī)械穩(wěn)定性,在可穿戴儲能器件應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。2.采用電化學(xué)聚合的方法在CNT纖維表面沉積PANI/graphene多孔復(fù)合薄膜,成功制得PANI/graphene@CNT纖維狀復(fù)合電極。graphene對復(fù)合電極的電化學(xué)性能的改善(如倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性等)效果明顯。根據(jù)正負(fù)電極不同的電壓窗口,構(gòu)筑了 PANI/graphene@)CNT//CNT-film全固態(tài)纖維狀非對稱超級電容器,電壓窗口能擴(kuò)展到1.6 V。器件最大能量密度為160.5μWh/cm2,最高功率密度為13mW/cm2。3.利用電化學(xué)活化法和原位電聚合法制備了纖維狀多孔復(fù)合電極材料PANI/3DCS,贗電容活性物質(zhì)PANI與3DCS內(nèi)部的CNT束均勻復(fù)合,不僅僅存在于纖維電極的表面,還充斥在3DCS內(nèi)部的大量空間,在很大程度上提高了活性物質(zhì)的負(fù)載量。PANI/3DCS內(nèi)部的大量微納孔洞有利于電解質(zhì)離子的傳輸,縮短了活性物質(zhì)與電極液之間的傳輸距離,同時(shí)3DCS是優(yōu)異的電輸運(yùn)骨架,兩者結(jié)合保證離子的快速傳輸。根據(jù)正負(fù)電極材料不同的電壓窗口,設(shè)計(jì)構(gòu)建了 PANI/3DCS//3DCS纖維狀非對稱超級電容器,最高能量密度為30.92μWh/cm2,最高功率密度為1.78 mW/cm2。經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后,依然可保持初始電容量的94%,說明了其優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。而經(jīng)過1000次180。彎折測試后,器件可保持初始電容量的90.2%,說明了其優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。4.采用電化學(xué)活化和凍干法處理,將CNT纖維轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)、多孔的纖維狀CNT氣凝膠材料,該材料具有高比表面積、高機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性優(yōu)異和高電容量(0.5 mA電流下為160.8 F/g)等特點(diǎn),是用作纖維狀超級電容器理想的電極材料。使用CNT氣凝膠纖維為電極,(EMIM)BF4/[P(VDF-HFP)]離子液凝膠為電解液組裝對稱型纖維狀超級電容器。離子液凝膠電解液的使用可將器件的電壓窗口提高至3 V,室溫下的能量密度與功率密度最高可達(dá)29.6 Wh/kg和27331 W/kg。器件具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性(經(jīng)過2000次彎折試驗(yàn)后依然可保持初始電容的92.9%)和熱穩(wěn)定性(在0～80℃的環(huán)境下正常運(yùn)行)。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM53
【部分圖文】：

出現(xiàn)了消費(fèi)類的可穿戴設(shè)備；④從２０１２年起，經(jīng)過了長時(shí)間的沉寂逡逑與技術(shù)培育，在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)及用戶需求的共同作用下，以谷歌服鏡和智能手逡逑環(huán)（圖２－丨）為代表的可穿戴設(shè)備在市場上頻繁；ｌｉ現(xiàn)并得到ｊ＇快速的發(fā)展ｉｓ－１５ｉ。逡逑現(xiàn)在，三星、索尼、耐克等一批國外公糾都相繼推出了丨’１邋ｃｉ的Ｎ類產(chǎn)品，逡逑國外的可穿戴智能產(chǎn)品市場己日漸繁朵。與此Ｎ時(shí)，該類產(chǎn)品在國內(nèi)也風(fēng)靡逡逑起來，不少企業(yè)推出了自己的產(chǎn)品，促進(jìn)了丨：Ｋ丨內(nèi)Ｍ類產(chǎn)品ｒ、ｌｋ的發(fā)展，消費(fèi)逡逑者對該類產(chǎn)品的熱情也在日益高漲，雖然很多產(chǎn)品＋夠成熟，ｍ不可否認(rèn)的逡逑足，可穿戴智能產(chǎn)品即將成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。Ｕ前，巾場上可穿戴產(chǎn)品逡逑形態(tài)各異，主要包括智能眼鏡、智能手表、智能腰帶、智能跑鞋、智能戒指、逡逑－３邋－逡逑

：邋￣逡逑３W逡逑圖２－１邐（邋ａ邋）谷歌眼鏡和（ｈ邋）智能手環(huán)逡逑根據(jù)Ｇａｒｔｎｅｒ的數(shù)據(jù)，２０丨６年全球可穿戴設(shè)備出貨量２＿６６億臺，預(yù)計(jì)２０１７逡逑年全球可穿戴設(shè)備出貨量增幅將達(dá)到１６．７％，總銷量將達(dá)到３．１億臺，全球逡逑總營收為３０５億美元，其中有９３億美元來自于以蘋果ＡｐｐｌｅＷａｔｃｈ和三星Ｇｅａｒ逡逑為代表的智能手表類產(chǎn)品。預(yù)計(jì)到２０２１年，全球?qū)①u出５＿０５億臺可穿戴設(shè)逡逑備，其中智能手表銷售量將接近８１００萬支，占整體可穿戴設(shè)備銷售量的１６°／。；逡逑２０２１年全球可穿戴設(shè)備銷售將創(chuàng)造５５０億美元營收，其中智能手表營收將高逡逑達(dá)１７４億美元，是所有可穿戴設(shè)備尚中最具潛力的類別之一。逡逑２．１．２可穿戴技術(shù)研究的發(fā)展方向逡逑可穿戴設(shè)備在感知與運(yùn)用兩個(gè)維度的變化

子電池體積小、重量輕、容量大，可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師時(shí)提供使消費(fèi)者滿意的長電池續(xù)航時(shí)間。但是，傳統(tǒng)鋰電裝置輕薄體積的設(shè)計(jì)需求，各國電池廠商紛紛投入新型鋰了助攻穿戴式電子產(chǎn)品突破設(shè)計(jì)與銷售困境，更重要的是的市場大餅。微型或超薄柔性鋰電池成為目前運(yùn)用于可穿的能源器件。逡逑高科技是臺灣第一個(gè)將鋰電池導(dǎo)入商業(yè)化的廠商，專攻中（Ｌｉｔｈｉｕｍ邋Ｐｏｌｙｍｅｒ邋Ｂａｔｔｅｒｙ）應(yīng)用市場，產(chǎn)品主要運(yùn)用于藍(lán)牙適用于穿戴裝置產(chǎn)品應(yīng)用的小型、異型化電池研發(fā)，并在圓柱形、曲面等形狀上逐漸取得研發(fā)成果。根據(jù)興能提供池出貨量已達(dá)數(shù)百萬顆，并將高分子鋰電池大量用在智慧�。茨昱d能鋰電池應(yīng)用仍以藍(lán)牙耳機(jī)占５３％為最大宗，但穿４％躍居次位，醫(yī)療、無線鍵盤及游戲桿等計(jì)算機(jī)周邊、手用市場約占２３％。展望未來兩年，應(yīng)用于穿戴式裝置、醫(yī)市占率將持續(xù)放大。逡逑

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本文編號：2817455