聚苯胺基柔性超级电容器的制备及性能研究

作     者：宋纯林 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴月

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：聚苯胺 水凝胶 超级电容器 柔性器件 

摘      要：随着便携式和可穿戴电子产品的不断发展,轻薄、能量存储性能好、柔韧性高的储能设备越来越受欢迎。柔性超级电容器（SCs）作为一种受到广泛关注的柔性储能设备,由具有优异电化学性能的柔性电极和相容性高的柔性电解质组成,因其高功率密度、长循环寿命和在机械变形下几乎保持不变的性能而成为可穿戴和便携式电子设备的候选者。迄今为止,大量的柔性SCs被研发出来,按其柔性电极的分类可以分为:活性炭基柔性SCs、石墨烯基柔性SCs、锰（Mn）基柔性SCs、钌（Ru）基柔性SCs、聚吡咯（PPy）基柔性SCs和聚苯胺（PANI）基柔性SCs等,相比于其他的柔性SCs,PANI基柔性SCs因其氧化-还原性好、合成工艺简单、成本低和理论赝电容高而成为当前柔性SCs的一个关注热点。尽管科研人员当前对PANI基柔性SCs进行了广泛和深入的研究,但是制备的柔性SCs仍存在力学性能差、比电容小和能量存储密度低等缺点。究其原因是在制备的PANI基SCs中,柔性基底的力学性能差、活性物质PANI含量低和分散性差等缺点。为解决上述问题,本论文采用引入双网络水凝胶体系和引入十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、对苯二胺（PPD）提高PANI的分散性以及活性,进而制备具有优异柔韧性和电化学性能的PANI基柔性SCs。 本论文的具体工作内容如下: （1）以丙烯酰胺（AAM）和海藻酸钠（SA）为原料,N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）为交联剂,采用一锅法制备具有双网络结构的聚丙烯酰胺（PAAM）/SA（PS）水凝胶。其中,AAM和MBAA通过自由基聚合形成第一个共价交联网络,SA和PAAM之间形成第二个物理交联网络,双交联网络为PS水凝胶提供优异的柔韧性。在此基础上,以PS水凝胶为柔性基体,将其浸入不同浓度的苯胺/盐酸（ANI/HCl）溶液中,进行原位聚合制备出一系列的PANI-PAAM/SA（PANI-PS,x=0.1、0.4、0.7和1.0）水凝胶,并以PS水凝胶为电解质,PANI-PS水凝胶为电极,组装成具有三明治结构的PANI-PS全凝胶态SCs（AGSSCs）。在ANI浓度为1.0 M时,PANI-PS AGSSC的电化学性能达到最佳,在1 m A/cm的电流密度下,平均面积电容为335.09 m F/cm,功率密度为400.06μW/cm时,能量密度为29.79μWh/cm。 （2）以AAM、SA和SDBS为原料,MBAA为交联剂,采用一锅法制备出PAAM/SA/SDBS（PSS,x=0、0.25、0.5和0.75）水凝胶,将其浸入不同浓度的ANI/HCl溶液中,进行原位聚合制备出一系列的PANI-PAAM/SA/SDBS（PANI-PSS,x=0、0.25、0.5和0.75;y=0.1、0.4、0.7和1.0）水凝胶。随着SDBS浓度的不断增加,PANI-PSS水凝胶上PANI的形貌和尺寸变得更规则和更小,PANI的团聚和堆积现象受到极大的抑制,有效地提高PANI活性位点的数量和电解质离子的传输效率,使其电化学性能显著提高。以PSS水凝胶为电解质,PANI-PSS水凝胶为电极,组装成具有三明治结构的PANI-PSS AGSSCs。在SDBS浓度为0.5 wt%时,PANI-PSS AGSSC的面积电容达到最大值（913.79 m F/cm）。并且,PANI-PSS AGSSC在功率密度为400.02μW/cm时,能量密度为81.23μWh/cm,经过2000次的CV循环后的电容保持率为93.22%。此外,PANI-PSS AGSSC在压缩、穿刺、变温、弯曲、不同电压窗口和串并联等实验条件下,电化学性能几乎没有发生变化。 （3）以AAM、SA和0.5 wt%的SDBS为原料,MBAA为交联剂,采用一锅法制备出PAAM/SA/SDBS水凝胶（PSS）,然后将其浸入不同浓度的PPD/ANI/HCl溶液中,进行原位聚合制备出一系列的PPD/PANI-PAAM/SA/SDBS（PP-PSS,x=1、2、3和4）。由于PPD的加入,PP-PSS中PANI的形貌开始呈现短棒状和纤维状,并逐渐由短棒状向纤维状演变。其中,PP-PSS中短棒状和纤维状PANI的直径更小且数量更多,为PANI中更多的活性位点参与电化学反应提供条件。将PP-PSS切除四周边缘夹在两块碳布中间可直接组装成PP-PSS AGSSCs,无需二次封装。相比于其它样品,PP-PSS AGSSC的电化学性能达到最佳。在电流密度为1 m A/cm时,PP-PSS AGSSC的平均面积电容为1177.94 m F/cm,在功率密度为300.11μW/cm时,其显示出58.9μWh/cm的高能量密度。此外,PP-PSS AGSSC在压缩、弯曲和穿刺的特殊实验条件下仍能够保持正常工作。