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高性能超级电容器电极材料的设计及其柔性化构

作者2019-04-17 10:25未知
随着轻质、柔性、可穿戴电子设备的快速发展,超级电容器作为一种新型的储能器件,在满足功率密度高、充放电速率快的同时,还具有柔性、轻质、成本低及环境友好等优点,具有无可代替的优越性。电极材料的组成和结构会直接决定超级电容器的能量存储性能。传统超级电容器柔性电极的制备方法是将导电剂、粘结剂、活性材料混合涂覆在镍泡沫上。导电剂、粘结剂在活性材料中的无序分散,会降低电极有效比表面积、离子传输能力、材料使用寿命、比电容和能量密度。为了解决以上问题,本文对超级电容器的碳基电极材料及金属氧化物电极材料的改性及复合方式进行研究,研究主要集中在三个方面:(1)对电极材料进行微纳米结构设计,增加有效比表面积,增加比电容;(2)添加导电相,增强离子传输能力;(3)选择合适的复合方式,增加活性物质与集电器之间的结合力;主要研究内容如下:采用自制纳米Ag作为导电物质,SDS作为分散剂,乙醇和水复配作为溶剂,配制成可用于直的纳米Ag浆料。热处理温度为90℃,热处理时间为2h时电阻率可达到6.8×10~(-4)Ω·cm,可作为碳材料柔性电极的导电膜层使用。通过直的方式将Ag和CNT涂覆在纸基纤维网络上,提高了电极材料的比表面积,制备成柔性Ag/CNT复合柔性电极。分析和研究了Ag/CNT柔性电极的电化学性能和作为柔性超级电容器电极使用的可能性。实验结果表明,Ag导电相的掺入可以使电阻率相比Ag电极下降25.1%,比CNT电极下降98.2%,电阻率为5.1×10~(-4)Ω·cm。Ag/CNT柔性电极的比电容相比CNT柔性电极提高了52.7%。在0.5 m A·cm~(-2)电流密度下比电容为5.5 F·cm~(-3)。采用阳极氧化的方式,在柔性的钛箔上制备出具有大比表面积的TiO_2纳米管。因为阳极氧化是一种原位的生长方式,得到的TiO_2纳米管与钛箔的结合性能良好。N离子注入后TiO_2纳米管表面形貌明显改变,N离子注入剂量为10.0×10~177 ions·cm~(-2)时,纳米管顶端出现针状结构。N离子掺杂产生的TiN系化合物极大地提高Ti O_2的导电性,电阻率为0.00246Ω·cm,相较未经离子注入改性处理样品电阻率下降了5个数量级。N离子注入剂量为10.0×10~177 ions·cm~(-2)时,TiO_2/TiN电极在0.05 mA·cm~(-2)的充放电电流下,比容量为24822.7m F·cm~(-3)。电流密度由0.05增至0.5 mA·cm~(-2)时,比电容保持率为70.0%。循环伏安测试扫速由10提升至100mV/s后,比电容保持率为71.7%,有较好的倍率性能。TiO_2/TiN电极的R_(ct)值为7.731Ω·cm~2,具有较高的电荷转移能力。为进一步验证导电相的加入可以提高超级电容器的电极活性,在柔性TiO_2纳米管材料的基础上,通过金属蒸汽真空电弧离子注入的方式对纳米管阵列进行了Ag离子注入改性。Ag的注入剂量通过注入参数进行控制。当Ag离子注入剂量为5.0×10~177 ions·cm~(-2)时,TiO_2纳米管顶端呈岛状连续网络结构;与不同注入剂量的TiO_2/Ag相比,Ag离子注入剂量为5.0×10~177 ions·cm~(-2)时电极表现出更大容量,Ag离子注入大大增强了纯TiO_2纳米管的活性。Ag离子掺杂能极大地提高二氧化钛纳米管的导电性,电阻率最小为21.6Ω·cm,相较未经离子注入改性处理样品下降了95.8%。Ag离子注入剂量为5.0×10~177 ions·cm~(-2)时,Ti O_2/Ag电极在0.05 mA·cm~(-2)的充放电电流下,比容量分别为9324.6 mF·cm~(-3)。电流密度由0.05增至0.5 m A·cm~(-2)时,比电容保持率为54.0%。扫速由10提升至100mV/s后,比电容保持率为69.5%,有较好的倍率性能。TiO_2/Ag电极的R_(ct)值为74.79Ω·cm~2,具有较高的电荷转移能力。

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