基于聚吡咯-棉織物電極的固態(tài)超級(jí)電容器的研制.pdf

1、近些年來，全固態(tài)超級(jí)電容器因其良好的柔性和安全不易泄漏的特點(diǎn)，越來越受到各國(guó)研究者的重視。這是因?yàn)槔贸?jí)電容器作為儲(chǔ)能元件的智能紡織品，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如健康信息化、醫(yī)療監(jiān)測(cè)等方面具有非常突出的應(yīng)用。并且與使用液態(tài)電解質(zhì)的傳統(tǒng)超級(jí)電容器相比，使用固態(tài)電解質(zhì)會(huì)使超級(jí)電容器更加安全且更能滿足超級(jí)電容器的可穿戴特性。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，首先人們嘗試采用聚吡咯等織物電極，與目前常見的多孔碳材料涂層電極相比，聚吡咯/棉織物電極不僅具有無可比擬的柔性

2、和可拉伸性能，還有質(zhì)輕、低成本和無毒性的特點(diǎn)，并且具有較高的電導(dǎo)率，更滿足織物電極柔性可穿戴的特性。同時(shí)，織物電極必須與固態(tài)且柔性良好的電解質(zhì)相匹配，才能充分體現(xiàn)可穿戴的特征，因此必須研發(fā)與聚吡咯/棉織物電極相匹配的固態(tài)電解質(zhì)用于超級(jí)電容器的組裝。而現(xiàn)階段全固態(tài)超級(jí)電容器的研究多針對(duì)的是非柔性電極，如采用Ni(OH)2/活性炭作為電極，并開發(fā)相應(yīng)的PVA(聚乙烯醇)-PAAS(聚丙烯酸鈉)-KOH-H2O體系固態(tài)電解質(zhì)，雖然電化學(xué)性能有

3、所改善，但是非柔性電極使其可穿戴性大大降低。另外，相關(guān)研究的側(cè)重點(diǎn)多是關(guān)于如何制作固態(tài)電解質(zhì)及如何組裝電容器，但未對(duì)電解質(zhì)的物理、化學(xué)特性及其穩(wěn)定性方面進(jìn)行探索。
　　課題完成的主要工作是，研究一種與聚吡咯/棉織物電極相匹配且性能良好的固態(tài)電解質(zhì)并用于超級(jí)電容器的組裝。通過實(shí)驗(yàn)選擇合適的基礎(chǔ)電解質(zhì)和凝膠物質(zhì)來組成凝膠電解質(zhì)，并且保證其粘度、電導(dǎo)率和電化學(xué)等特性隨著時(shí)間具有一定的穩(wěn)定性。最后通過一定的方法完成固態(tài)超級(jí)電容器的組裝，并

4、對(duì)其電化學(xué)特性進(jìn)行表征。圍繞這些問題，課題進(jìn)行了以下研究：
　?。?）課題以棉織物作為基布對(duì)其進(jìn)行化學(xué)聚合，并且對(duì)制備的聚吡咯導(dǎo)電織物進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，以檢驗(yàn)制備導(dǎo)電織物的導(dǎo)電性。然后利用基礎(chǔ)電解質(zhì)和凝膠物質(zhì)共混的方法制備凝膠電解質(zhì)，既保證了電化學(xué)性能，又使其具備良好的柔性。在電化學(xué)工作站上搭建兩電極體系，利用交流阻抗圖譜和CV曲線的測(cè)試方法來采集電化學(xué)信號(hào)。
　?。?）在酸類、堿類和無機(jī)鹽類中對(duì)基礎(chǔ)電解質(zhì)進(jìn)行了選擇，不僅對(duì)

5、比了它們?cè)趦呻姌O體系下的電化學(xué)特性，而且考察了它們與聚吡咯電極之間的適應(yīng)性。另外也對(duì)各類電解質(zhì)與凝膠物質(zhì)是否能夠形成均一體系進(jìn)行了測(cè)試，通過實(shí)驗(yàn)得出質(zhì)量分?jǐn)?shù)5％的PVA產(chǎn)生沉淀所需的各種無機(jī)鹽溶液用量。關(guān)于凝膠物質(zhì)聚乙烯醇的選擇，則通過綜合考慮電解質(zhì)的粘度特性和所組成超級(jí)電容器的性能來確定。
　　（3）凝膠電解質(zhì)粘度、電導(dǎo)率和電化學(xué)性能的變化直接影響組裝后超級(jí)電容器的特性，因此需通過粘度和電導(dǎo)率測(cè)試裝置及電化學(xué)特征圖譜對(duì)這些指標(biāo)隨

6、時(shí)間的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的改善可從凝膠電解質(zhì)的粘度入手，而粘度穩(wěn)定性可以通過添加有機(jī)或無機(jī)添加劑予以改善，這些添加劑的效果是依賴其添加量的，因此需選取合適的有機(jī)添加劑，并通過測(cè)試不同添加率下對(duì)粘度穩(wěn)定性的改善效果，最終確定最佳添加率。
　?。?）基于最佳條件下的凝膠電解質(zhì)以及制作完成的聚吡咯/棉織物電極，對(duì)固態(tài)超級(jí)電容器進(jìn)行組裝。并通過恒流充放電曲線和比電容的測(cè)試，考察組裝后超級(jí)電容器的充放電可逆性和循環(huán)壽命，以及不同電壓

7、掃速下的比電容值。
　　基于以上研究得到了如下結(jié)論：由于堿性物質(zhì)與聚吡咯導(dǎo)電聚合物不可共存，而中性無機(jī)鹽類會(huì)使PVA發(fā)生沉淀，因此中強(qiáng)酸H3PO4是基礎(chǔ)電解質(zhì)的較優(yōu)選擇；相比于其他牌號(hào)，PVA-1750因其水溶液具有合適的粘度，以及在高粘度下依然能夠保持電容性質(zhì)的特點(diǎn)，是組裝基于聚吡咯/棉織物電極的全固態(tài)超級(jí)電容器時(shí)所需凝膠物質(zhì)的較優(yōu)選擇；PVA-H3PO4體系的粘度會(huì)隨時(shí)間的推移而增加，同時(shí)伴隨著離子電導(dǎo)率和電化學(xué)特性的減弱，而