【摘要】：環(huán)境污染與能源緊缺問題一直是近年來的熱點(diǎn)話題。開發(fā)綠色環(huán)保的新型能源和儲(chǔ)能裝置也已成為研究熱點(diǎn)。超級(jí)電容器相較于鋰電池,具更高的功率和循環(huán)壽命,作為綠色環(huán)保的新型儲(chǔ)能裝置備受歡迎。傳統(tǒng)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)類似于電池,由電極材料、隔膜、電解液、集流體等主要部分組成,需要的材料往往眾多且組裝工藝繁雜。其中,細(xì)菌纖維素(BC)是天然高聚物,因特有的納米三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),超強(qiáng)的親水吸水能力和優(yōu)異的力學(xué)性能不僅適合作為水凝膠、柔性基材、碳源,還能應(yīng)用于隔膜材料,近期的文獻(xiàn)也對(duì)其進(jìn)行了大量報(bào)道,是新型環(huán)保超級(jí)電容器制備的理想原材料。本課題主要基于細(xì)菌纖維素的特殊結(jié)構(gòu)、優(yōu)異性能制備了導(dǎo)電聚合物包覆的細(xì)菌纖維素復(fù)合材料,并將該復(fù)合材料作為含氮碳源,通過熱解得到摻N活性炭。最后滴加凝膠電解液,組裝二者,得到了一種一體柔性的薄膜超級(jí)電容器。此外,還探究了不同導(dǎo)電聚合物//活性炭體系下制備的一體柔性不對(duì)稱超級(jí)電容器,并進(jìn)行了表征及電化學(xué)性能的測試與分析。文章主要分為三個(gè)部分:(1)應(yīng)用細(xì)菌纖維素的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在水凝膠狀態(tài)下,納米纖維膜表面原位沉積聚苯胺(PANI)。由于分子動(dòng)力學(xué)影響,在水凝膠狀態(tài)下較厚致密的纖維膜內(nèi)部,苯胺分子難以進(jìn)入,隨聚合時(shí)間增加,形成特殊的三明治結(jié)構(gòu),可通過剝離得到一面沉積有聚苯胺包覆的纖維PANI/BC//BC,另一面未包覆的純纖維素BC。將剝離得到的薄膜PANI/BC//BC直接作為超級(jí)電容器的正極和隔膜材料,同時(shí)以PANI/BC為含氮碳源進(jìn)行高溫碳化和堿活化得到高比表面積、吡咯型氮占主導(dǎo)的負(fù)極碳材料KPBC。再配以凝膠電解液,經(jīng)組裝得到PANI/BC//KPBC薄膜柔性超級(jí)電容器,對(duì)其電容性能進(jìn)行測試分析。該固態(tài)電容器在測試過程中表現(xiàn)出較好的循環(huán)穩(wěn)定性(2500次循環(huán)后仍保持100%的電容量)和庫倫效率。(2)以另一種P型摻雜導(dǎo)電聚合物聚吡咯(PPy)為正極材料進(jìn)行研究,利用FeCl_3做為氧化劑在細(xì)菌纖維素表面原位聚合得到三明治型兩面沉積有聚吡咯包覆的PPy/BC,中間層為純纖維素的BC。同樣將PPy/BC作為另一種含氮碳源經(jīng)高溫碳化和堿活化,得到官能團(tuán)主要為吡啶型氮的負(fù)極碳材料KYBC。經(jīng)組裝得到PPy/BC//KYBC全固態(tài)柔性超級(jí)電容器,并對(duì)其性能進(jìn)行分析研究。該固態(tài)電容器同樣表現(xiàn)出較高的工作電位(最高達(dá)到1.4 V)和面積比電容(195.5 mF/cm~2)。(3)為進(jìn)一步提高導(dǎo)電聚合物//活性炭體系下不對(duì)稱電容器的電容量,對(duì)負(fù)極材料進(jìn)行了摻雜Fe元素。通過水熱合成法,在細(xì)菌纖維素BC表面形成氫氧化鐵前驅(qū)體,再將吡咯單體原位聚合到膜表面得到PPy/Fe_3O_4/BC。并通過高溫碳化和堿活化的方法得到新的負(fù)極碳材料Fe-N-BC。這種摻雜金屬元素Fe、非金屬元素N的雙摻雜碳材料表現(xiàn)出較明顯的贗電容兼具雙電層電容性能,在電容量得到了有效提升的同時(shí)表現(xiàn)出低的工作電位(最低-1V)。并通過對(duì)正負(fù)電位和電量的匹配,將PPy/BC//BC作為正極和隔膜,經(jīng)組裝得到PPy/BC//Fe-N-BC全固態(tài)柔性超級(jí)電容器。經(jīng)測試,該電容器表現(xiàn)出更高的面積比電容(426.2 mF/cm~2)和更高的工作電位(最高達(dá)到1.6 V)。本文,以生物環(huán)境友好型材料細(xì)菌纖維素BC為基材,利用導(dǎo)電聚合物/細(xì)菌纖維素復(fù)合膜與薄膜電容器結(jié)構(gòu)和性能的相似性,經(jīng)聚合 剝離 碳化 抽濾等簡易工序制備得到的全固態(tài)柔性超級(jí)電容器為傳統(tǒng)超級(jí)電容器的制備提供了新思路,在環(huán)境保護(hù)和能源存儲(chǔ)方面具有一定的意義。
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O636.11;TM53
【圖文】：

n，化學(xué)結(jié)構(gòu)為 β-1, 4-糖苷鍵結(jié)合 D-吡喃葡萄糖環(huán)形成素不同的是細(xì)菌纖維素則是由微生物在一定的糖源、氮謝產(chǎn)生的一種高純度、高結(jié)晶度的纖維素。它最早是養(yǎng)醋桿菌時(shí)經(jīng)觀察和分析發(fā)現(xiàn)在靜置培養(yǎng)基的氣液界定的[7]。目前能夠合成細(xì)菌纖維素的主要菌種有、醋酸菌屬(Acetobaeter)、固氮菌屬(Azotobactep)等[8]，別的細(xì)菌纖維素。而其中醋酸菌屬下的木醋桿菌，由于泛研究。目前主要被應(yīng)用于生物支架、醫(yī)藥、食品、料等多種領(lǐng)域，具有極高的商業(yè)價(jià)值。的特性，是細(xì)菌分泌、合成同時(shí)進(jìn)行下的代謝產(chǎn)物，在細(xì)胞體 1-1 所示。細(xì)菌經(jīng)體內(nèi)合成纖維素后，在細(xì)胞壁上的孔小纖維（直徑約為 1nm-2nm），再經(jīng)強(qiáng)烈的氫鍵作用形又經(jīng)交織纏繞形成多孔網(wǎng)狀纖維帶（40 nm-100 nm），扁平纖維。最后這些網(wǎng)狀纖維帶在培養(yǎng)基表面經(jīng)交織，

圖 1-2 主要儲(chǔ)能元件功率密度對(duì)能量密度圖譜-2 The power and energy density chart of energy storage e極快的充放電速率、超長的循環(huán)壽命在電容器高比表面積的碳粉末，如多孔碳、石墨烯、碳主要為電荷在電極表面的吸附/脫附的物理反無限的循環(huán)壽命，但實(shí)際上卻仍存在其他不可壽命在 105-1010之間。盡管如此，這一數(shù)值較和達(dá)到的。理論的是德國的 Helmholtz，根據(jù)固體電極在理論：在靜電力作用下，在電極和溶液界面處，而電極上剩余的電荷則為另一等量相反的電處電勢為 φ0+φ1，而另一電極處為 φ0-φ1，界面不被中和，通過兩極電勢差穩(wěn)定地存儲(chǔ)電量[

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本文編號(hào)：2742378