【摘要】：服裝最基本的兩個功能是保護人體和美觀。然而隨著消費者不斷增長的需求,“智能”成為紡織品新的屬性。智能服裝能夠?qū)⑻柲�、人身體的熱能和運動過程的機械能轉(zhuǎn)化為電能并存儲,然后將電能供給其它植入的電子設(shè)備,完成監(jiān)控人體健康指標(biāo)、感應(yīng)、信息處理、計算等功能。這類新興的可服用電子系統(tǒng)將滿足人類在軍事、公共安全、醫(yī)療保健、太空探索、運動和健身等領(lǐng)域的需求。作為一種重要的能量存儲裝置,超級電容器具有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)穩(wěn)定性好、環(huán)境友好并且使用壽命長等優(yōu)點。目前,可拉伸、可穿戴的微型超級電容器引起了學(xué)術(shù)界的廣泛興趣。若應(yīng)用在紡織品中,超級電容器必然會受到穿戴過程中拉伸、扭轉(zhuǎn)等外力作用。傳統(tǒng)的超級電容器多以剛性材料作為電極,在外力作用下超級電容器難免會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷,性能下降,甚至喪失能量存儲和供應(yīng)的功能。因此,實現(xiàn)可拉伸性是邁向電子系統(tǒng)可服用性的重要一步。為了實現(xiàn)可拉伸性,超級電容器必須同時具有穩(wěn)定的電化學(xué)性能和較強的機械性能。碳納米材料的蓬勃發(fā)展極大地推動了超級電容器的技術(shù)進步和應(yīng)用。在此背景下,利用受到廣泛關(guān)注的高柔韌性碳納米材料——碳納米管纖維(CNT纖維)和石墨烯膜,制備具有可拉伸性的超級電容器,將能滿足智能服裝的發(fā)展。因此,本課題的研究具有重要意義。課題選擇了碳納米材料中的一維CNT纖維和二維石墨烯作為研究對象,分別制備了一維線形和二維平面超級電容器,討論了賦予兩者可拉伸性的可行性�；诓煌鞈�(yīng)變對電容器比電容、能量密度、功率密度和長周期循環(huán)穩(wěn)定性的影響,評價了可拉伸超級電容器的性能。課題的研究內(nèi)容主要包括:(1)采用預(yù)拉伸-再屈曲的方法成功制備了可拉伸線形超級電容器。該電容器由兩根相互纏繞的CNT纖維電極、分離兩電極的H2SO4-PVA凝膠電解質(zhì)和氨綸纖維組成,呈正弦曲線的波浪形狀。通過電化學(xué)阻抗譜、循環(huán)伏安曲線、恒流充放電曲線,研究了在0、40、70和100%的拉伸應(yīng)變下,及經(jīng)過20個機械拉伸-回復(fù)循環(huán)后超級電容器電化學(xué)性能的變化。研究結(jié)果表明,在高達(dá)100%的不同拉伸應(yīng)變下,或經(jīng)過20個機械拉伸-回復(fù)循環(huán)后,其電化學(xué)性能并沒有降低,反而略微增加,比電容增加了8.2%以上,功率密度增加了25.8-55%,能量密度從0.40×10-7-1.13×10-7 Wh cm-2增加到0.47×10-7-1.44×10-7Wh cm-2。特別地,經(jīng)過20個應(yīng)變?yōu)?00%的機械拉伸-回復(fù)循環(huán),以及10000個充放電循環(huán)后,電容器的電容保持率仍高達(dá)108%,證明其具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。CNT纖維本身固有的優(yōu)異導(dǎo)電性、多孔性、柔韌性、化學(xué)穩(wěn)定性,以及凝膠電解質(zhì)可拉伸性能,是實現(xiàn)線形超級電容器可拉伸性,并保持其拉伸后電化學(xué)性能穩(wěn)定性的重要原因。(2)利用氧化石墨烯片懸浮液或者CNT漿料,在CNT纖維表面形成隨機取向的石墨烯或者CNT網(wǎng)絡(luò)三維結(jié)構(gòu),并探討了兩種改性方法對所制備超級電容器電化學(xué)性能的影響。經(jīng)過預(yù)拉伸-再屈曲的方法,賦予這種電容器可拉伸性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),氧化石墨烯片懸浮液浸涂的方法對CNT纖維電極的改性并不能顯著提高超級電容器的電化學(xué)性能,而電化學(xué)沉積并還原氧化石墨烯的方法能夠有效提高超級電容器的電化學(xué)性能。此外,利用了Nanocyl公司的CNT漿料(SIZICYLTM XCR2G),以浸涂方式對CNT纖維進行表面處理。在掃描速率5 1000 m V s-1范圍內(nèi),原始CNT纖維超級電容器的電容值為2.02 3.45 m F cm-2,而CNT漿料/CNT纖維超級電容器的電容值顯著增至4.78 11.40m F cm-2。不同拉伸應(yīng)變下,電化學(xué)阻抗譜、循環(huán)伏安曲線和恒流充放電的測試結(jié)果表明,高達(dá)100%的拉伸應(yīng)變對CNT漿料/CNT纖維超級電容器的電化學(xué)性能影響較小。(3)使用Mn O2/CNT復(fù)合纖維作為正極,原始?xì)饽zCNT纖維作為負(fù)極,及KOHPVA凝膠作為電解質(zhì)制備了非對稱超級電容器。分別沿原始CNT纖維5.5 cm長度和Mn O2/CNT復(fù)合纖維2 cm長度上涂覆凝膠電解質(zhì)。將兩種纖維中電解質(zhì)覆蓋部分相互纏繞,組裝成非對稱線形超級電容器。然后,采用預(yù)拉伸-再屈曲的方法賦予此非對稱的超級電容器高達(dá)100%的可拉伸性。相比電壓范圍為0.8 V的非對稱超級電容器,當(dāng)電壓范圍擴展到1.5 V時,非對稱超級電容器能量密度和功率密度分別增加3倍和2倍。該電容器具有較高的比電容(157.53μF cm-1),較高的能量密度(17.26 46.59 n Wh cm-1),較高的功率密度(7.63-61.55μW cm-1)。高達(dá)100%的拉伸應(yīng)變僅對電容器的電化學(xué)性能造成微弱影響。另外,經(jīng)過10000次恒電流充放電循環(huán),電容器的比電容仍然保持99%以上,表明此電容器具有長期循環(huán)穩(wěn)定性。非對稱的結(jié)構(gòu)使超級電容器達(dá)到較高的工作電壓和較高的能量密度,且未犧牲功率密度及循環(huán)穩(wěn)定性,被證明是提高超級電容器電化學(xué)性能的有效方法。(4)利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備了單層石墨烯膜,經(jīng)過反復(fù)轉(zhuǎn)移,制成均勻的4層石墨烯,并將其轉(zhuǎn)移到預(yù)拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基體上。釋放PDMS基體的預(yù)拉伸,4層的石墨烯膜在PDMS基體上形成納米尺度的波浪形屈曲結(jié)構(gòu)。由兩個屈曲石墨烯/PDMS膜作為電極及H2SO4-PVA凝膠作為電解質(zhì),制成二維超級電容器。超級電容器的透光性和可拉伸性分別達(dá)72.9%和40%。隨著拉伸應(yīng)變從0%增加到40%,電容器的比電容沒有下降,且略微增加。利用串聯(lián)的電阻-電容模型,通過分析虛部比電容Bode圖可發(fā)現(xiàn),此電容器具有優(yōu)異的高倍率性能。隨著拉伸應(yīng)變從0%增加到40%,頻率響應(yīng)(f0)從34.3 Hz降低到7.92 Hz,相應(yīng)的弛豫時間常數(shù)從29 ms增加到126 ms,但此常數(shù)仍短于很多基于碳材料的超級電容器。中高掃描速率下電容值的保持率測試結(jié)果進一步驗證了此電容器的高速度能力。經(jīng)過10000個恒流充放電循環(huán),電容器的比電容仍保持98%,表明石墨烯膜超級電容器具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。(5)以屈曲4層石墨烯/PDMS膜作為研究對象,其薄層電阻為3.43 k?sq-1,透光率為88.1%。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),屈曲4層石墨烯呈均勻分布的波紋狀結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡測試表明,當(dāng)拉伸應(yīng)變從0%增至40%時,屈曲石墨烯膜有變平的趨勢,其波狀結(jié)構(gòu)的振幅從146.8 nm(0%)、124.5 nm(20%)減至120 nm(40%)。微拉曼光譜測試發(fā)現(xiàn),拉伸應(yīng)變在0 40%范圍時,較高的拉伸應(yīng)變導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域(30μm×12μm)2D峰位置的整體紅移,這表明拉伸應(yīng)變增大導(dǎo)致石墨烯膜在屈曲過程中產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變逐漸釋放。未屈曲及屈曲石墨烯膜的應(yīng)變在0%、20%和40%時,2D峰的位置分別在2687.51±1.39 cm-1、2686.33±1.84 cm-1、2685.71±1.26 cm-1和2684.48±1.03 cm-1,表明所施加的拉伸應(yīng)變僅造成了微小的拉曼移動。石墨烯膜的拉伸應(yīng)變小于0.2%,在石墨烯膜所能承受的范圍內(nèi),因此不會對石墨烯造成損傷。這表明屈曲狀態(tài)下的石墨烯膜適合用作可拉伸電極材料。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM53

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 許開卿;吳季懷;范樂慶;冷晴;鐘欣;蘭章;黃妙良;林建明;;水凝膠聚合物電解質(zhì)超級電容器研究進展[J];材料導(dǎo)報;2011年15期

2 梓文;;超高能超級電容器[J];兵器材料科學(xué)與工程;2013年04期

3 ;歐盟創(chuàng)新型大功率超級電容器問世[J];功能材料信息;2014年01期

4 周霞芳;;無污染 充電快 春節(jié)后有望面市 周國泰院士解密“超級電容器”[J];環(huán)境與生活;2012年01期

5 江奇,瞿美臻,張伯蘭,于作龍;電化學(xué)超級電容器電極材料的研究進展[J];無機材料學(xué)報;2002年04期

6 朱修鋒,王君,景曉燕,張密林;超級電容器電極材料[J];化工新型材料;2002年04期

7 景茂祥,沈湘黔,沈裕軍,鄧春明,翟海軍;超級電容器氧化物電極材料的研究進展[J];礦冶工程;2003年02期

8 朱磊,吳伯榮,陳暉,劉明義,簡旭宇,李志強;超級電容器研究及其應(yīng)用[J];稀有金屬;2003年03期

9 賀福;碳(炭)材料與超級電容器[J];高科技纖維與應(yīng)用;2005年03期

10 鄧梅根,楊邦朝,胡永達(dá);卷繞式活性炭纖維布超級電容器的研究[J];功能材料;2005年08期

相關(guān)會議論文 前10條

1 馬衍偉;張熊;余鵬;陳堯;;新型超級電容器納米電極材料的研究[A];2009中國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集[C];2009年

2 張易寧;何騰云;;超級電容器電極材料的最新研究進展[A];第二十八屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會論文集[C];2009年

3 鐘輝;曾慶聰;吳丁財;符若文;;聚苯乙烯基層次孔碳的活化及其在超級電容器中的應(yīng)用[A];中國化學(xué)會第15屆反應(yīng)性高分子學(xué)術(shù)討論會論文摘要預(yù)印集[C];2010年

4 趙家昌;賴春艷;戴揚;解晶瑩;;扣式超級電容器組的研制[A];第十二屆中國固態(tài)離子學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2004年

5 單既成;陳維英;;超級電容器與通信備用電源[A];通信電源新技術(shù)論壇——2008通信電源學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2008年

6 王燕;吳英鵬;黃毅;馬延風(fēng);陳永勝;;單層石墨用作超級電容器的研究[A];2009年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集（上冊）[C];2009年

7 趙健偉;倪文彬;王登超;黃忠杰;;超級電容器電極材料的設(shè)計、制備及性質(zhì)研究[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第10分會場摘要集[C];2010年

8 張琦;鄭明森;董全峰;田昭武;;基于薄液層反應(yīng)的新型超級電容器——多孔碳電極材料的影響[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第10分會場摘要集[C];2010年

9 馬衍偉;;新型超級電容器石墨烯電極材料的研究[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第7分冊）[C];2010年

10 劉不厭;彭喬;孫s，

本文編號：2307307