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文檔簡介
1、近些年來,全固態(tài)超級電容器因其良好的柔性和安全不易泄漏的特點,越來越受到各國研究者的重視。這是因為利用超級電容器作為儲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)超級電容器相比,使用固態(tài)電解質(zhì)會使超級電容器更加安全且更能滿足超級電容器的可穿戴特性。為了達到這個目標,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,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,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)用于超級電容器的組裝。而現(xiàn)階段全固態(tài)超級電容器的研究多針對的是非柔性電極,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,但未對電解質(zhì)的物理、化學(xué)特性及其穩(wěn)定性方面進行探索。
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)并用于超級電容器的組裝。通過實驗選擇合適的基礎(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)超級電容器的組裝,并
4、對其電化學(xué)特性進行表征。圍繞這些問題,課題進行了以下研究:
?。?)課題以棉織物作為基布對其進行化學(xué)聚合,并且對制備的聚吡咯導(dǎo)電織物進行電學(xué)性能測試,以檢驗制備導(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曲線的測試方法來采集電化學(xué)信號。
?。?)在酸類、堿類和無機鹽類中對基礎(chǔ)電解質(zhì)進行了選擇,不僅對
5、比了它們在兩電極體系下的電化學(xué)特性,而且考察了它們與聚吡咯電極之間的適應(yīng)性。另外也對各類電解質(zhì)與凝膠物質(zhì)是否能夠形成均一體系進行了測試,通過實驗得出質(zhì)量分數(shù)5%的PVA產(chǎn)生沉淀所需的各種無機鹽溶液用量。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電容器的特性,因此需通過粘度和電導(dǎo)率測試裝置及電化學(xué)特征圖譜對這些指標隨
6、時間的變化進行監(jiān)測。對時間穩(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或無機添加劑予以改善,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添加劑,并通過測試不同添加率下對粘度穩(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,對固態(tài)超級電容器進行組裝。并通過恒流充放電曲線和比電容的測試,考察組裝后超級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,而中性無機鹽類會使PVA發(fā)生沉淀,因此中強酸H3PO4是基礎(chǔ)電解質(zhì)的較優(yōu)選擇;相比于其他牌號,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,是組裝基于聚吡咯/棉織物電極的全固態(tài)超級電容器時所需凝膠物質(zhì)的較優(yōu)選擇;PVA-H3PO4體系的粘度會隨時間的推移而增加,同時伴隨著離子電導(dǎo)率和電化學(xué)特性的減弱,而
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