基于PH1000电极的柔性超级电容器制备与性能研究

作     者：高日霞 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜雪宁

授予年度：2022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：超级电容器 纸电极模板 PH1000 MnO2 

摘      要：超级电容器是一种高效绿色的储能器件。近年来,随着柔性电子设备的发展,柔性超级电容器成为重要的研究领域,其中,纸基超级电容器成为目前柔性超级电容器重要的研究方向。纤维纸具有便宜、重量轻、高度柔性等优点,并且,纸的粗糙结构可以增强电极材料与纸的粘附性,三维多孔结构可以促进电解质在电极材料中的扩散,增强离子输送,从而提高器件储能特性。聚(3,4-乙稀二氧噻吩)聚苯乙稀磺酸盐(PH1000)是一种导电聚合物,具有高导电性、高柔韧性、环境友好、成本低等优点,已经广泛应用于超级电容器的电极材料中。MnO作为赝电容材料,具有大的理论比电容,是制备赝电容超级电容器常用的电极材料。本实验采用纸电极模板方法,基于PH1000和MnO电极材料制备了柔性微型化对称与非对称超级电容器,并对其性能进行了研究分析。本文的主要研究结果包括:(1)探究了二甲基亚砜(DMSO)处理对PH1000电极材料的电学性能、柔性性能以及储能特性的影响,发现经DMSO处理后,PH1000的柔韧性增强、电学性能明显提高以及储能特性增强,其中PH1000导电性的提高,促进了PH1000与电解质之间的电荷转移以及电解质的扩散传输等,这是器件储能特性提高的本质原因。(2)基于DMSO处理之后的PH1000电极材料(PH1000-DMSO,P-D)与磷酸-聚乙烯醇(HPO-PVA)水凝胶电解质,采用纸电极模板方法制备了柔性对称型超级电容器(P-D-MSC);探究了电极负载量对超级电容器储能特性的影响,发现电极负载量的增加可以有效降低超级电容器的欧姆电阻、电极与电解质的界面电阻以及Warburg电阻,促进了电子在电极材料中的传输、电解质离子在电极材料中的扩散以及电极中的电子与电解质离子的吸附,进而提高了超级电容器的储能特性。同时,所制备的器件具有良好的柔韧性,在弯曲循环6000次后,电容保持率可达93.7%。此外,通过串并联集成可以对超级电容器的电压和电容进行调控,进而实现器件的性能优化。(3)以PH1000-DMSO为负极、MnO与DMSO处理后的PH1000复合电极材料(PH1000-DMSO-MnO,P-D-M)为正极、HPO-PVA为电解质,采用纸电极模板方法制备了非对称型超级电容器(AS-MSC),对器件的电化学性能进行了分析,并与P-D-MSC对称型超级电容器进行了对比分析。结果表明:AS-MSC的储能特性显著优于P-D-MSC对称型超级电容器,例如,在5 m V/s下,AS-MSC器件的比电容为8.16 m F/cm,是P-D-MSC器件比电容(3.29 m F/cm)的～2.5倍;此外,P-D-MSC电压窗口为0.8 V而AS-MSC器件电压窗口1.6 V,扩大了1倍;并且,与P-D-MSC器件相比,AS-MSC器件的能量密度和功率密度提高了一个数量级。