發(fā)布時間：2018-02-06 04:33

  本文關(guān)鍵詞： 紡織材料 產(chǎn)能器件 儲能器件 可穿戴能源器件 摩擦發(fā)電機 石墨烯 復合導電纖維 超級電容器　出處：《東華大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著科技的發(fā)展,越來越多的可穿戴智能電子產(chǎn)品走入人們的日常生活中,電池作為電子產(chǎn)品的核心部件,其柔性及續(xù)航能力一直被人們所詬病,使得可穿戴能源器件成為智能材料領(lǐng)域重要研究方向之一。盡管已有大量研究針對如何改善可穿戴能源器件的穿戴舒適性及如何提高性能等,但高昂的制作成本、較差的靈活性、較低的耐久性和環(huán)境依賴性等嚴重限制了它們的真正應用。搭載新材料、設(shè)計新結(jié)構(gòu)是改善可穿戴能源器件性能及提高其環(huán)境適應性的重要方法。紡織材料是天然的可穿戴材料,它具有優(yōu)異的穿戴舒適性、選擇普遍性和力學穩(wěn)定性等,以其作為活性物質(zhì)基底制備能源器件受到了學術(shù)界的高度關(guān)注。但目前以紡織材料為基底的壓電器件的研究剛剛處于起步階段,在儲能領(lǐng)域大都關(guān)注于活性物質(zhì)方面而非基底本身。具體地來說,首先纖維狀能源器件的基底大都不能批量化制備,所制備的電極長度有很大限制;其次平面狀超級電容器電極基底大都難以實現(xiàn)單位面積內(nèi)的高負載量,從孔隙率及緊密程度出發(fā)研究織物組織結(jié)構(gòu)對最終性能影響的報道基本也沒有;且針對紡織結(jié)構(gòu)的產(chǎn)能器件和儲能器件的集成以實現(xiàn)自供電的新結(jié)構(gòu)也鮮有提及。論文從紡織材料出發(fā),首先以經(jīng)編間隔織物為基底制備了柔性摩擦壓電式產(chǎn)能器件——摩擦發(fā)電機,再以常見紡織紗線和織物為基底制備了一維及二維柔性超級電容器儲能器件,最后使用所制備的摩擦發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化成電能并存儲于制備的柔性超級電容器中,從而實現(xiàn)產(chǎn)儲能一體化可穿戴能源器件的組裝,研究內(nèi)容包括以下幾個方面:(1)選擇經(jīng)編間隔織物為基底,在織物下層的上表面成型了聚二甲基硅氧烷(PDMS)摩擦結(jié)構(gòu),與織物上層的聚酯(PET)纖維在外力的作用下實現(xiàn)有效摩擦并產(chǎn)生電荷,利用間隔織物自身良好的壓縮回彈性,在外力撤除后實現(xiàn)上下層分離,輔以外接電路,完成靜電感應過程,順利地將機械能轉(zhuǎn)化成電能,最終將產(chǎn)生的電荷進行有效的收集和利用,實現(xiàn)了垂直接觸-分離模式摩擦發(fā)電機的研制。所研制的摩擦產(chǎn)能器件中無需采用現(xiàn)有的元器件(如彈簧等硬質(zhì)材料)來實現(xiàn)摩擦表面分離,且感應電極采用柔性碳納米管薄膜,規(guī)避了銀膠薄膜結(jié)合不牢、易破壞的缺點,體現(xiàn)整個器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性。在該項工作中,探索了間隔織物基底參數(shù)和測試過程中施加力的條件對產(chǎn)能器件輸出電性能的影響,揭示了器件發(fā)電的工作原理。結(jié)果表明,隨著間隔織物厚度、面積及施加力的增大,器件的輸出電信號增大;而由于間隔織物的壓縮回彈遲滯性,使得隨著施加力頻率的增加,輸出電信號有所衰減。作為典型案例,重點研究了厚度8 mm、面積5 cm×5 cm的間隔織物制備的摩擦壓電式產(chǎn)能器件的各項性能,該器件在400 N按壓力、摩擦頻率1 Hz的條件下,可穩(wěn)定輸出500 V的電壓信號和20μA以上的電流信號,結(jié)合不同阻值的外加負載,其最大輸出功率可以實現(xiàn)153.8 m W m-2。該器件產(chǎn)生的電能經(jīng)整流作用后可對儲能器件進行充電,能正常點亮常見微型電子元件LCD和LED等。(2)以聚酰亞胺(PI)長絲紗為基底,通過堿處理的方式賦予纖維表面新的親水基團(酰胺鍵和羧基鍵),再浸涂吸附氧化石墨烯。吸附的氧化石墨烯經(jīng)過氫碘酸(HI)還原后成為導電石墨烯,完美包覆于PI長絲表面形成導電通路,并與新基團產(chǎn)生新的化學鍵使得結(jié)合牢度增強,形成高界面結(jié)合力的石墨烯/PI復合導電纖維。在制備復合導電纖維的過程中,探索了堿處理工藝及浸涂工藝對導電纖維性能的影響。結(jié)果表明,堿處理時間可以有效控制纖維表面刻蝕情況,并影響氧化石墨烯的吸附量及吸附牢度,其中處理時間為30 min時所制備的復合導電纖維性能最優(yōu);調(diào)控浸涂次數(shù)可以有效控制涂層厚度及導電纖維的電學和電化學性能。課題選用的涂層浸涂法不但能夠批量化制備復合導電纖維,且在浸涂次數(shù)為12時,制備好的石墨烯/PI復合導電纖維的電導率可達到1.02×103 S m-1,應對各種變形如彎折、扭曲及水洗后,性能依然維持穩(wěn)定。以所制備的復合導電纖維為電極材料組裝了纖維狀超級電容器(一維儲能器件),電化學性能優(yōu)良。通過電化學測試結(jié)果討論了由復合導電纖維制備的電極長度對儲能器件比電容的影響,特別地,當恒流充放電電流密度為90、180、360和720 m A cm-3時,對應儲能器件的體積比電容為16.4、12.6、9.5和5.9 F cm-3,在充放電3000次以后依然能夠維持比電容的穩(wěn)定。(3)以常見棉織物為基底,通過化學原位聚合的方法制備聚吡咯涂層導電織物,以此為電極制備了二維(織物)儲能器件。織物作為一種多孔結(jié)構(gòu)基底,其組織結(jié)構(gòu)直接影響了自身孔隙率和比表面積的大小,課題從織物組織結(jié)構(gòu)出發(fā),討論了組織結(jié)構(gòu)對活性物質(zhì)負載量以及負載牢度的影響。實驗結(jié)果表明,在所選擇的三種典型結(jié)構(gòu)的織物中,針織結(jié)構(gòu)比機織或非織結(jié)構(gòu)更適合做為基底使用,得益于自身合適的孔隙率和緊密度,所制備的電極在活性物質(zhì)負載量和負載牢度、電學及電化學性能等方面均更優(yōu)。通過調(diào)控化學聚合反應濃度(吡咯單體濃度調(diào)控范圍為0.04~0.22 M)來調(diào)控織物基底對活性物質(zhì)的負載量,最終在吡咯單體濃度為0.2 M時,以針織結(jié)構(gòu)為基底,制備出負載量12.3 mg cm~(-2)的導電織物。另外,還特別地探索了活性物質(zhì)負載量對電極表面電阻、面積比電容和質(zhì)量比電容的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著負載量的增加,導電織物的表面電阻呈減低趨勢(當負載量大于6 mg cm~(-2)時,電極的表面電阻可低于50Ω□-1),面積比電容呈現(xiàn)增大趨勢,而質(zhì)量比電容體現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。將制備好的導電織物作為電極組裝了超級電容器(二維儲能器件),測試了器件的電化學性能。測試結(jié)果表明,在恒流充放電電流密度為2、5、10、15和20 m A cm~(-2)時,對應電極的面積比電容為4117、3553、2956、2516和2212 m F cm~(-2)。同時,所制備的儲能器件還表現(xiàn)出良好的柔性和性能穩(wěn)定性,在彎曲或扭轉(zhuǎn)500次以后依然可以穩(wěn)定地工作。組裝好的儲能器件經(jīng)過簡單的串聯(lián)在放電過程中可點亮LED燈。(4)以所制備的摩擦壓電式產(chǎn)能器件作為發(fā)電部分,超級電容器(儲能器件)為儲能部分,組裝了產(chǎn)儲能一體化的能源器件。結(jié)果表明,摩擦壓電式產(chǎn)能器件可以有效地將機械能轉(zhuǎn)化的電能輸入到儲能器件中,對儲能器件進行充電,存儲電能后的儲能器件的放電過程能實現(xiàn)簡單的應用,如點亮LCD顯示屏和LED燈等。論文以紡織材料為基底,先后制備摩擦發(fā)電機(產(chǎn)能器件)、纖維狀(一維)和織物(二維)超級電容器(儲能器件),所制備的產(chǎn)、儲能器件均保留了紡織材料優(yōu)良的柔性和穿戴性。通過組裝接連,完成了產(chǎn)儲能一體化的可穿戴能源器件的研制,并將所制備的產(chǎn)儲能器件做了應用展示,為研發(fā)可穿戴能源器件提供了新結(jié)構(gòu)和新思路。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TS106.6;TM31;TM53

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 李峰;楊全紅;;序[J];新型炭材料;2014年04期

相關(guān)會議論文 前4條

1 智林杰;;基于石墨烯的富碳納米材料及其在儲能器件中的應用[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

2 鄧正華;王璐;李仁貴;侯敏;陳勉忠;劉力;魏晉;張曉正;;一種新型的腈基微孔聚合物膜及其在儲能器件中的應用[A];第十二屆中國固態(tài)離子學學術(shù)會議論文集[C];2004年

3 鄧正華;王璐;李仁貴;侯敏;陳勉忠;劉力;魏晉;張曉正;;一種新型的腈基微孔聚合物膜及其在儲能器件中的應用[A];2004年中國材料研討會論文摘要集[C];2004年

4 麥立強;趙康寧;牛朝江;晏夢雨;;納米線電化學儲能器件[A];中國化學會第29屆學術(shù)年會摘要集——第24分會：化學電源[C];2014年

相關(guān)博士學位論文 前4條

1 侯建華;多孔碳的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其電化學儲能性能研究[D];北京理工大學;2015年

2 劉連梅;基于紡織結(jié)構(gòu)的產(chǎn)儲能器件的研究[D];東華大學;2017年

3 許恒輝;一維電極材料的構(gòu)筑及其在電化學儲能器件中的應用[D];華中科技大學;2015年

4 劉濤;基于硅微通道板的三維儲能器件的研究[D];華東師范大學;2012年

相關(guān)碩士學位論文 前4條

1 常月琪;鈦基自支撐電極在電化學儲能器件中的研究[D];青島科技大學;2016年

2 鐘燕;基于氧化物的納米儲能器件復合電極的制備及其電化學性能研究[D];南京理工大學;2016年

3 童路攸;幾種新型電極材料的制備及電化學儲能[D];南京理工大學;2016年

4 孫云飛;Bi_2O_3電極材料的制備及儲能器件的研究[D];華中科技大學;2016年

，

本文編號：1493586