發(fā)布時間：2020-05-12 04:54

【摘要】：超級電容器(SCs,又被稱作電化學電容器)是一種新型的能量儲存設備,其具有比傳統(tǒng)電容器更高的能量密度,以及比二次電池更高的功率密度和更長的循環(huán)壽命。而電極材料在很大程度上影響著SCs的電化學電容性能。聚吡咯(PPy)由于其具有導電率高、容易制備、化學穩(wěn)定等特征,是目前廣泛研究的一種導電聚合物電極材料。與化學氧化法相比,電化學氧化制備PPy電極具有一步制備且不需要引入絕緣粘接劑的特點。然而目前很少有研究調(diào)查電聚合條件對所制備PPy電極的電化學電容性能的影響。為此,本文對PPy電聚合過程中所使用的摻雜劑、電聚合模式、參數(shù)等條件進行了詳細的優(yōu)化,并通過電化學共沉積的方法合成了核-殼型的聚吡咯/碳納米管(PPy/CNTs)復合電極,通過本研究促進了聚吡咯在SCs中的應用。本論文的主要內(nèi)容如下:(1)探究了不同陰離子摻雜劑對電聚合PPy電極電化學電容性能的影響。用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、X-射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對所制備PPy電極的組分和形貌進行了表征。并用循環(huán)伏安法(CV)、恒電流充放電(GCD)以及電化學交流阻抗譜(EIS)等手段進行了電化學性能測試。結果表明,以高氯酸鋰為摻雜劑制備的PPy-ClO_4電極具有最優(yōu)異的電化學電容性能,這與其更加優(yōu)異的形貌特征以及更大的粗糙度有關。(2)詳細研究了不同電聚合條件(包括電聚合模式、參數(shù)和集流體)對所制備PPy電極電化學電容性能的影響。FT-IR和XRD測試說明以上的制備條件對所制備PPy的成分和晶型結構沒有影響。電化學測試表明采用具有高電導率的石墨片作為集流體所制備的PPy電極表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的電容性能。SEM和AFM表征說明恒電流聚合的PPy顆粒與恒電位聚合的PPy顆粒相比展示了更小的團聚度以及更大的粗糙度,因而導致前者具有更好的電化學性能。其中,使用電流密度為2 mA cm~(-2)的恒電流模式制備的PPy電極展現(xiàn)出了最優(yōu)的電化學電容性能。(3)采用電化學共沉積方法制備了核-殼型的PPy/CNTs復合電極。詳細研究了不同的制備條件包括電沉積模式、參數(shù)、集流體以及CNTs的羧基化程度對所制備PPy/CNTs電極的電化學性能的影響。SEM表征表明恒電位沉積的PPy/CNTs呈現(xiàn)了緊湊的二維形貌,而恒電流沉積的PPy/CNTs展現(xiàn)了有利的三維多孔的納米網(wǎng)狀微結構。此外,更高羧基化程度的CNTs能夠引入更多的PPy,從而導致了更好的電化學性能。優(yōu)化條件下制備的PPy/CNTs復合電極在0.5 mA cm~(-2)的電流密度下展現(xiàn)了185.3 mF cm~(-2)的面積電容,高的倍率性能以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(在10000圈CV循環(huán)后維持了初始電容的88.5%)。
【圖文】：

電化學性能測試，如圖 1.2（a）所示[37]。絕緣粘接劑的引入會增大電極的電它的電化學性質(zhì)[38,39]。而電化學氧化是將吡咯分散在包含陰離子摻雜劑的，在電極表面氧化吡咯單體形成PPy薄膜，不需要使用絕緣粘接劑，如圖1.。因為該方法沒有引入絕緣粘結劑，能夠降低導電聚合物-集流體的接觸電y 膜通過電化學聚合方法生長在集流體上，此過程是一種自由基耦合機理（ 所示）：首先當電壓足夠高時，電極表面上的吡咯被氧化，形成陽離子自由兩個陽離子自由基分別失去一個質(zhì)子后形成二聚體；二聚體立刻再次被氧陽離子自由基，因為二聚體極好的共軛使其比單體更易氧化；隨后二聚體新的自由基耦合，從而增加了聚合鏈的長度，最后形成了 PPy 共軛鏈[40]。

此過程是一種自由基耦合機理（如圖1.3 所示）：首先當電壓足夠高時，電極表面上的吡咯被氧化，形成陽離子自由基；然后兩個陽離子自由基分別失去一個質(zhì)子后形成二聚體；二聚體立刻再次被氧化，形成陽離子自由基，因為二聚體極好的共軛使其比單體更易氧化；隨后二聚體進一步與新的自由基耦合，從而增加了聚合鏈的長度，最后形成了 PPy 共軛鏈[40]。圖 1.2 采用化學氧化法（a）和電化學氧化法（b）制備導電聚合物電極的示意圖[37]。Fig. 1.2 Schematic diagram of preparation of conductive polymer electrode by chemical oxidation (a)and electrochemical oxidation (b).對于 PPy 電極的化學氧化制備，比如 Shinde[41]等人用化學合成法制備了 PPy 納米顆粒，該薄膜顯示出高比電容，且穩(wěn)定性極好，在 5 mV s-1比電容高達 329 Fg-1。Lu[42]等人用原位化學氧化聚合法制備了空心碳微球@聚吡咯 (HCS@PPy)電極，該復合電極的能量密度為 46 Wh/kg，，功率密度為 350 W/kg，其電容性能的提高與 HCS獨特的空心多孔結構和 PPy 的法拉第氧化還原反應的綜合優(yōu)勢密切相關。對于 PPy
【學位授予單位】：山西大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O631;TM53

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 擺玉龍;;超級電容器電極材料的研究進展[J];新疆化工;2011年03期

2 ;中科院合肥物質(zhì)科學研究院石墨烯基超級電容器研制成功[J];中國建材資訊;2017年04期

3 林曠野;劉文;陳雪峰;;超級電容器隔膜及其研究進展[J];中國造紙;2018年12期

4 程錦;;超級電容器及其電極材料研究進展[J];電池工業(yè);2018年05期

5 曾進輝;段斌;劉秋宏;蔡希晨;吳費祥;趙盼瑤;;超級電容器參數(shù)測試與特性研究[J];電子產(chǎn)品世界;2018年12期

6 劉永坤;姚菊明;盧秋玲;黃錚;江國華;;碳纖維基柔性超級電容器電極材料的應用進展[J];儲能科學與技術;2019年01期

7 季辰辰;米紅宇;楊生春;;超級電容器在器件設計以及材料合成的研究進展[J];科學通報;2019年01期

8 余凡;熊芯;李艾華;胡思前;朱天容;劉蕓;;金屬-有機框架作為超級電容器電極材料研究的綜合性實驗設計[J];化學教育(中英文);2019年02期

9 王蕾;;伊朗讓紙變成“超級電容器” 可快速充放電[J];新能源經(jīng)貿(mào)觀察;2018年12期

10 李夢格;李杰;;超級電容器的原理及應用[J];科技風;2019年13期

相關會議論文 前10條

1 李艷;張升明;張振興;;高性能錳摻雜鉬酸鎳納米結構非對稱超級電容器[A];2019年第四屆全國新能源與化工新材料學術會議暨全國能量轉換與存儲材料學術研討會摘要集[C];2019年

2 王凱;張熊;孫現(xiàn)眾;李晨;安亞斌;馬衍偉;;高性能超級電容器的關鍵材料與器件研究[A];第五屆全國儲能科學與技術大會摘要集[C];2018年

3 王振兵;;奧高性能石墨烯基超級電容器開發(fā)及其應用研究[A];第五屆全國儲能科學與技術大會摘要集[C];2018年

4 馬衍偉;張熊;王凱;孫現(xiàn)眾;李晨;;高性能超級電容器的研究[A];第五屆全國儲能科學與技術大會摘要集[C];2018年

5 代杰;汪匯源;譚X>予;隋剛;楊小平;;二硫化鉬/中空碳球復合材料的制備及其在超級電容器中的應用[A];中國化學會2017全國高分子學術論文報告會摘要集——主題I：能源高分子[C];2017年

6 時志強;;開啟電力能量儲存與利用的新時代?——超級電容器技術與應用進展[A];2018電力電工裝備暨新能源應用技術發(fā)展論壇報告集[C];2018年

7 馬衍偉;張熊;孫現(xiàn)眾;王凱;;高性能超級電容器及其電極材料的研究[A];第三屆全國儲能科學與技術大會摘要集[C];2016年

8 邱介山;于暢;楊卷;;超級電容器用功能二維納米碳材料的合成及功能化[A];第三屆全國儲能科學與技術大會摘要集[C];2016年

9 孟月娜;武四新;;高倍率性的碳納米管基柔性超級電容器電極[A];中國化學會第30屆學術年會摘要集-第二十九分會：電化學材料[C];2016年

10 潘偉;薛冬峰;;鐵基超級電容器[A];中國化學會第30屆學術年會摘要集-第四十二分會：能源納米材料物理化學[C];2016年

相關重要報紙文章 前10條

1 山科;煤基電容炭有望規(guī)�；�生產(chǎn)[N];中國化工報;2014年

2 實習生 邱銳;碳納米管超級電容器問世[N];中國科學報;2012年

3 記者 來蒞;中國超級電容器技術及產(chǎn)業(yè)國際論壇在北海舉行[N];北海日報;2019年

4 記者 楊保國 通訊員 周慧;合肥工業(yè)大學等 研發(fā)可實時修復的伸縮型超級電容器[N];中國科學報;2019年

5 見習記者 魯珈瑞;開辟超級電容新路徑[N];中國電力報;2019年

6 重慶商報-上游新聞記者 鄭三波;“重慶造”超級電容器亮相[N];重慶商報;2019年

7 重慶商報-上游新聞記者 韋s

本文編號：2659692