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碳纳米管复合柔性电极及其超级电容器的制备与性能研究

碳纳米管复合柔性电极及其超级电容器的制备与性能研究

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作者：周苏生合肥工业大学

学位级别：硕士

活性炭,碳纳米管,石墨烯等主流碳材料作为当下储能领域研究的热点,并且发挥着各自的优势。其具备优良的导电性,巨大的比表面积以及稳定的化学性质。其中碳纳米管作为一维材料,其宏观体的展现形式多种多样,按照维度分为一维的窄带、纤维... 详细信息

活性炭,碳纳米管,石墨烯等主流碳材料作为当下储能领域研究的热点,并且发挥着各自的优势。其具备优良的导电性,巨大的比表面积以及稳定的化学性质。其中碳纳米管作为一维材料,其宏观体的展现形式多种多样,按照维度分为一维的窄带、纤维,二维的有碳布、湿法制备的碳纸、浮动生长碳膜,三维的有湿法的凝胶、浮动生长的套筒、浮动二次生长的泡沫、以及基底法生长的阵列。目前,储能领域的一大重要方向是开发柔性甚至是弹性储能器件,其中,柔韧性的基底和电极材料结构设计是关键所在。并且围绕着如何提高器件的比能量密度和比功率密度而不断奋斗着。为此,本论文对比了目前主流的水系分散剂并且优化了分散工艺,制备出稳定分散的水系单壁碳管分散液。利用碳管分散液,制备了大管径碳管和单壁碳管复合的柔韧碳纸,接着复合活性物质聚苯胺,制备了对称电容器。以碳管聚苯胺复合物为基础,研究了聚苯胺对称电容器的电化学充放电机理。为了进一步拓宽电容器的工作电位窗口而提高器件的能量密度,设计新体系的不对称电容器结构,并研究其充放电机理。主要的研究内容和创新点如下:以商业用单壁碳纳米管为原料,匹配不同的分散剂,采用细胞粉碎机超声和高速离心手段,从挂壁等级、上清液残余质量定量地分析了不同分散剂的分散效果。其中十二烷基苯磺酸钠(SDBS)综合表现最好。为此,以SDBS为分散剂,制备出了分散稳定的水系单壁碳管分散液。以高稳定分散的单壁碳管分散液和大管径碳管分散液为原料,采用真空抽滤手段,制备出柔韧性优异的复合碳管纸。由于其协同效应的多级结构,表现出普通商用碳管纸和单纯单壁碳管纸所不具备的优良性质:1.优良的拉伸强度(27 MPa)和柔韧性;2.单壁碳管的利用率大大增加,比容量达到159 F g。进一步电沉积聚苯胺,复合膜的比容量甚至超过单纯的单壁碳管膜。并且复合结构节约了单壁碳管使用量,节约了成本。以碳膜聚苯胺为电极材料,构成对称电容器。选择一标准电极作为参考,用电压表记录对称电容器两极的电压变化,探究聚苯胺作为对称电容器的充放电机理。发现两极的工作电压利用范围低,并且活性物质在两极的充放电不彻底,导致器件的能量低。为了获得高能量密度的电容器,把目光转向非对称超级电容器。其拓宽了工作电位窗口,从而增加了能量密度。探究了不对称电容器体系的充放电机理。

关键词：碳纳米管水系分散对称电容器非对称电容器聚苯胺

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