超級電容器具有能量密度高,充放電速率快,循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn),因而受到廣泛關(guān)注。電解質(zhì)作為超級電容器的主要組成部件,它的狀態(tài)和性能直接影響超級電容器的電化學(xué)性能和安全性。凝膠聚合物電解質(zhì)(Gel polymer electrolytes,GPEs)既擁有液態(tài)電解質(zhì)的高離子傳導(dǎo)率,又兼具固態(tài)聚合物電解質(zhì)的柔性,可以承擔(dān)超級電容器隔膜和電解質(zhì)的雙重職責(zé)。GPEs主要由聚合物基體、增塑劑及電解質(zhì)鹽組成。聚合物基體需擁有良好的電解質(zhì)親和性、成膜性和穩(wěn)定性,還需具有一定的力學(xué)強(qiáng)度。大豆分離蛋白(Soy protein isolate,SPI)作為一種環(huán)境友好的生物質(zhì)材料,親水性良好,且可成膜,能夠作為聚合物基體用于制備GPEs。但SPI溶解困難,成膜后脆性大、柔韌性差等缺陷使其在電子能源器件中的應(yīng)用受限。因此,本論文以SPI為基體材料,通過不同改性手段,制備了多種SPI基薄膜材料,并構(gòu)建了雙電層超級電容器;分別探究了增塑改性、交聯(lián)改性及構(gòu)建半互穿網(wǎng)絡(luò)三種方式對超級電容器電化學(xué)性能的影響。首先,以三乙醇胺(Triethanolamine,TEA)為增塑劑對SPI進(jìn)行增塑改性,制備了一系列柔韌性良好的TEA增塑改性SPI薄膜,結(jié)合1.0 mol L-1硫酸鋰電解質(zhì),構(gòu)筑了以活性炭為電極的雙電層超級電容器(EDLC-X)。經(jīng)TEA增塑改性的SPI薄膜表現(xiàn)出高達(dá)8.55X 10-3 S cm-1的離子傳導(dǎo)率。構(gòu)建的超級電容器電位窗口能夠達(dá)到1.5 V,且表現(xiàn)出優(yōu)異的雙電層電容特性。當(dāng)TEA的添加量為SPI質(zhì)量的1.6倍時,超級電容器EDLC-1.6的電化學(xué)性能最好,在1.0Ag-1的電流密度下,其單電極質(zhì)量比電容為113.44 F g-1,能量密度為8.86 W h kg-1。雖然電化學(xué)性能較為優(yōu)異,但是,增塑改性后的SPI薄膜在電解質(zhì)中質(zhì)軟,在水中無法長期穩(wěn)定存在。為了提高SPI薄膜的耐水能力和力學(xué)強(qiáng)度,使用毒性小的乙二醇二縮水甘油醚(Ethylene glycol diglycidyl ether,EGDE)對 SPI 進(jìn)行交聯(lián)改性,制備了一系列交聯(lián) SPI薄膜。FTIR、XRD顯示EGDE與SPI間發(fā)生了化學(xué)交聯(lián),交聯(lián)SPI薄膜的力學(xué)、耐水性能相對于純SPI薄膜大幅提高,當(dāng)EGDE含量占SPI質(zhì)量的20%時制備的改性SPI薄膜綜合性能最優(yōu)。構(gòu)建的基于交聯(lián)SPI GPEs的固態(tài)雙電層超級電容器(S-EDLC-X),在低交聯(lián)程度下,超級電容器S-EDLC-20%具有較好的電容保持率,當(dāng)電流密度從1.0 A g-1增大至10 A g-1時,電容保持率能夠維持在72%。雖然交聯(lián)改善了 GPEs的強(qiáng)度的和穩(wěn)定性,但基于交聯(lián)SPI GPEs的S-EDLC-X電化學(xué)性能卻呈現(xiàn)下降趨勢。為了同步提升SPI基GPEs的電化學(xué)性能和耐水性,在交聯(lián)SPI體系內(nèi)引入親水線性大分子輕乙基纖維素(Hydroxyethylcellulose,HEC),制備了具有半互穿網(wǎng)絡(luò)(Semi-interpenetrating network,Semi-IPN)結(jié)構(gòu)的改性 SPI 薄膜,并結(jié)合 L2SO4 電解質(zhì),形成了半互穿網(wǎng)絡(luò)凝膠聚合物電解質(zhì)(Semi-IPN GPEs)。以Semi-IPN GPEs組裝了固態(tài)超級電容器(SSC-X)。研究結(jié)果表明:引入少量HEC即可大幅提高交聯(lián)SPI薄膜的電解質(zhì)親和性,進(jìn)而賦予Semi-IPN GPEs更優(yōu)異的離子傳導(dǎo)能力。Semi-IPN GPEs的離子傳導(dǎo)率最高可達(dá)1.125×10-2 S cm-1,優(yōu)于交聯(lián)SPI基GPEs的離子傳導(dǎo)率。HEC占10%時,構(gòu)建的固態(tài)柔性超級電容器SSC-10%表現(xiàn)出最優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和充放電可逆性;彎折測試顯示,SSC-10%在任意彎曲角度下均能保持優(yōu)異的電化學(xué)性能,擁有良好的柔性,且整體電化學(xué)性能優(yōu)于由商業(yè)水性PP/PE隔膜組裝的超級電容器。
【學(xué)位單位】：東北林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM53;TB383.2
【部分圖文】：

１．５大豆分離蛋白??１．５．１大豆分離蛋白概述??大豆蛋白主要有四級結(jié)構(gòu)（圖１－３），一級結(jié)構(gòu)是２０多種氨基酸形成的多肽鏈。二??級結(jié)構(gòu)是大豆蛋白質(zhì)分子中多肽鏈主鏈骨架的空間構(gòu)象。三級結(jié)構(gòu)是多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)??的基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊和扭曲，形成近似于球形的緊密結(jié)構(gòu)。幾條多肽鏈在三級結(jié)構(gòu)的基??礎(chǔ)上締合在一起形成大豆蛋白的四級結(jié)構(gòu)。在一定ｐＨ值、溫度、剪切力作用下，大豆??蛋白質(zhì)的二、三、四極結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同程度的變化，使原本包藏在球形結(jié)構(gòu)內(nèi)部親疏水??基團(tuán)暴露出來，改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)，有利于材料的加工、成型及性能改善。??一雖構(gòu)??大互備錄??酵觀轉(zhuǎn)盡??＂＾?（近似球形雖結(jié)構(gòu)）??１?－?－－ｗ??圖１－３大豆蛋白的結(jié)構(gòu)??不同的加工工藝可以獲得不同蛋白質(zhì)含量的大豆蛋白，蛋白質(zhì)含量３０％時制得大??豆蛋白粉，蛋白質(zhì)含量２６５％時制得大豆?jié)饪s蛋白，蛋白質(zhì)含量＾９０％時制得大豆分離蛋??白１５５］。大豆分離蛋白（ＳＰＩ）相對于大豆蛋白粉和大豆?jié)饪s蛋白擁有更好的保水性、乳??化性、溶解性，因此被廣泛應(yīng)用于食品包裝，醫(yī)用材料，膠黏劑，復(fù)合材料等領(lǐng)域??ＳＰＩ的物化特性是由其分子結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)決定的。Ｓ

?的泡沫鎳在１０?ＭＰａ的條件下壓制１．０?ｍｉｎ形成超級電容器活性炭電極片。制備完成的電??極如圖２－１所示??麗塗Ｓ臟靈—鹽觀》懸戀戀麗懸ｌ??圖２－１活性炭電極??２．３改性ＳＰＩ薄膜結(jié)構(gòu)分析及性能測試??２．３．１?ＦＴＩＲ?測試??使用紅外光譜儀（Ｔｅｎｓｏｒ?ＩＩ，德國Ｂｒｕｋｅｒ）對制備的樣品化學(xué)組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行研宄，??樣本測試范圍為４００？４０００?ｃｎｆ１，分辨率為４?ｃｍ＇每個樣品掃描３２次，待測樣品在測??試前經(jīng)５０°Ｃ處理以除去體系內(nèi)的水分。??２．３．２?ＸＲＤ?測試??實(shí)驗(yàn)原料及膜樣品的ＸＲＤ譜圖由Ｘ射線衍射儀（Ｄ／ｍａｘ２２０，日木理學(xué)公司）測試??得到，測試時設(shè)定管電壓４０?ｋＶ，管電流３０?ｍＡ，步寬０．０２。，掃描范圍５。？５０。，掃描速??率?５。ｍｉｎ－１。??２．３．３熱穩(wěn)定性測試??使用熱重分析儀（ＴＧＡ?２０９?Ｆ３，德國ＮＥＴＺＳＣＨ公司）對ＳＰＩ粉末及膜樣本的熱穩(wěn)??定性進(jìn)行研究，測試在Ｎ２氣氛下以１０°Ｃ?ｍｉｔｆ１的升溫速率從室溫升至８００°Ｃ進(jìn)行，Ｎ２??流速為５０?ｍＬｍｉｎ＇測試前將樣品在真空條件下進(jìn)行干燥，盡量減少樣品中的水分。??２．３．４拉伸測試??將ＳＰ丨膜樣本裁剪成２０?ｍｍｘ?１〇?ｍｍ的樣條（每個樣品均為５個樣條）

３．３．１熱穩(wěn)定性分析??為了研宄各改性ＳＰＩ薄膜的熱穩(wěn)定性，利用ＴＧＡ測試技術(shù)測試了各ＳＰＩ薄膜樣本??及ＳＰＩ粉末在室溫？６００°Ｃ內(nèi)的熱失重情況，ＴＧＡ曲線如圖３－２所示。??１００?Ｉ?＾＼ｉＷ?Ｃ３０９°Ｃ?——Ｐｕｒｅ?ＳＰＩ?ｐｏｗｄｅｒ?Ｉ??１５０辜?＼?＼?／?－?－?ＳＰＩ／ＴＥＡ－０．４?＂８??８０－?＼?Ａ?ＳＰＩ／ＴＥＡ－０．８??２３０＜ｆ?．?Ｘ?－?－?ＳＰｌ＾ＴＥＡ－１．２??ｌ＇ｒ＼?．?＼＼??ＳＰＩ／ＴＥＡ－１．６?－６??５？?６０－?／?兮．?ＳＰ１／ＴＥＡ－２．０?、??２０．?／?／?？二：??＃蓿玻蹋?崳?０?ｉ?１?ｌ?１?Ｉ?１?ｌ?１?ｌ?■??１００?２００?３００?４００?５００?６００??Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／°Ｃ??圖３－２?ＳＰＩ／ＴＥＡ－Ｘ和ＳＰＩ粉末的ＴＧＡ曲線??純ＳＰＩ粉末的起始熱分解溫度約為２００°Ｃ，對應(yīng)于ＳＭ分子鏈的降解。經(jīng)增塑改性??后，制得的改性ｓｎ膜的初始熱分解溫度約為１００°Ｃ，此部分熱分解可能是因?yàn)楦男??ＳＰＩ膜吸收空氣中的水蒸氣導(dǎo)致的。成膜后，ＳＰＩ分子鏈的初始降解溫度相對于純ＳＰＩ??粉末有所降低約為１５０°Ｃ
【參考文獻(xiàn)】

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1 胡世明;崔永巖;楊振興;趙振倫;;大豆分離蛋白的化學(xué)改性和增塑研究[J];中國塑料;2010年11期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 夏曼;基于超級電容器的電解質(zhì)研究[D];電子科技大學(xué);2015年

本文編號：2866606