PAN基季铵盐凝胶聚合物电解质的制备及其在超级电容器中的应用

作     者：刘慧 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于欣伟

授予年度：2016年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚丙烯腈 季铵盐 超级电容器 凝胶电解质 纳米SiO2 

摘      要：超级电容器主要由电极材料、集流体、隔膜和电解液组成,作为超级电容器的重要组成部分的电解质是极为重要的研究领域,不同类型的电解质往往对超级电容器性能产生较大影响。凝胶聚合物电解质超级电容器具有不漏液、安全的优点,适应电器设备向小型化、超薄型化方向发展。季铵盐类产品一直沿着绿色环保、易生物降解、不含APEO、甲醛等危害自然环境和人类健康的方向发展。随着公共意识的提高,环保质量的要求,此类产品不断满足社会发展的需求。而且季铵盐电解质的原料易得,生产工艺流程简单,是未来凝胶聚合物电解质盐的一个理想方向。本文首先以聚丙烯腈(PAN)作为聚合物基体,选择三种不同结构的季铵盐作为电解质盐:链状型季铵盐四乙基四氟硼酸铵(TEABF)、及环状型季铵盐四氟硼酸螺环季铵盐(SBPBF)和双草酸硼酸螺环季铵盐(SBPBOB),以二甲基亚砜(DMSO)作为增塑剂,制备了三种不同的PAN基季铵盐凝胶聚合物电解质。将制备好的凝胶聚合物电解质分别组装成模拟超级电容器,采用交流阻抗(EIS)、循环伏安(CV)和充放电(GCD)等电化学测试方法对凝胶聚合物电解质的电化学性能进行了测试分析,并且采用了红外(FI-TR)、热重(DG-DTG)进行表征分析。实验结果表明,PAN/TEABF凝胶聚合物电解质本体电阻Rb最小、电导率最大;PAN/TEABF、PAN/SBPBF、PAN/SBPBOB凝胶聚合物电解质的电化学稳定窗口分别为2.7V、2.6V、2.5 V;PAN/TEABF凝胶聚合物电解质的综合性能最佳,其比电容可达27.59 F/g,能量密度可达100.575 J/g,功率密度为0.675 KW/Kg,循环寿命最好。由PAN/季铵盐凝胶聚合物电解质的红外光谱分析得知PAN与TEABF很好的复合在一起,并保持原有的分子结构;螺环季铵盐SBPBF和SBPBOB相互作用对PAN结构的影响较为明显。由PAN/季铵盐凝胶聚合物电解质的TG-DTG图可知,PAN/季铵盐凝胶聚合物电解质具有良好的热稳定性。然后,在前文基础上,探讨了制备PAN/TEABF凝胶聚合物电解质的最佳工艺条件,并研究了加入无机填料纳米SiO作为添加剂,以提高凝胶聚合物电解质的性能。实验结果表明:随着电解质盐TEABF的添加量的增加,PAN/TEABF凝胶聚合物电解质的电导率、比电容、能量密度以及功率密度均有所增加,但是达到一定程度后,随着TEABF添加量的增加PAN/TEABF凝胶聚合物电解质的电化学综合性能反而下降,TEABF与PAN的最佳质量比是mTEABF/mPAN=0.5;随着静置时间的增加PAN/TEABF凝胶聚合物电解质的电化学性能先增加后来开始有所下降,制备PAN/TEABF凝胶聚合物电解质的最佳静置时间为60 h;随着纳米SiO添加量的增加,PAN/TEABF/SiO凝胶聚合物电解质的电导率、比电容、能量密度以及功率密度均有所增加,但是达到一定程度后,随着SiO添加量的增加PAN/TEABF/SiO凝胶聚合物电解质的电化学综合性能反而下降,当SiO的质量达到0.1 g(含量约为6.25%)时达到最大之后开始有所下降。PAN/TEABF/SiO凝胶聚合物电解质最佳比电容为33.05 F/g、充放电效率为88.6%、能量密度为148.70 J/g和功率密度为0.750 KW/Kg。而且PAN/TEABF/SiO凝胶聚合物电解质的电化学稳定性非常好,具有很好的应用价值。