自支撑多孔碳基复合材料的设计制备及可压缩超级电容器性能研究
柔性电子设备在实际应用过程中不可避免地会受到不同程度的外力作用而产生形变。然而，传统的电子设备储能系统在高应变下可能会出现机械断裂的问题而无法正常工作，这势必会造成严重的安全隐患，比如有毒电解液的泄露、设备起火甚至爆炸。为了克服这些问题，迫切需要开发能够承受外力形变，同时没有明显性能衰减的柔性储能装置。超级电容器凭借着高功率密度、长循环寿命以及高安全性，成为柔性储能系统中最有前途的候选者之一。从电极的角度而言，具有低密度、高孔隙率和高比表面积的氮掺杂碳泡沫被认为是组装可压缩超级电容器的理想电极材料。但是从目前的研究进展来看，如何开发兼具机械性能与电化学性能的可压缩超级电容器仍是一个巨大的挑战。本文综述了柔性可压缩超级电容器的研究进展，介绍了可压缩碳基电极材料的研究现状，探究了尖晶石氧化物、自催化氮掺杂碳纳米管和导电聚合物对自支撑三维碳泡沫的改性，进而提升其力学性能和电化学性能，同时对这些复合电极材料在可压缩超级电容器中的应用展开了深入研究，具体的工作如下： (1) 将尖晶石与三维氮掺杂碳泡沫复合的方法制备可压缩超级电容器电极材料。在高度可压缩的碳泡沫基板上生长的 ZnFe2O4纳米片可以在负电位下提供较大的赝电容。通过将其与NiCo2O4/NCF正极相结合，组装了一个全赝电容的不对称超级电容器。复合材料同时拥有良好的电化学和机械性能，最大压缩应变为 60%，并具有较好的耐久性 (在60%的应变下，循环应变可达500次)。不对称超级电容器在300 W kg–1 (10 mW cm–3) 的能量密度为11.84 Wh kg–1 (0.39 mWh cm–3)，在60%的压缩应变下，经过15,000次充放电循环，电容保持率达到96.5%。 (2) 针对前一个工作制备得到的复合材料力学强度有所下降的问题，通过一个简单和通用的自催化策略合成了具有分层结构的 Fe3C@氮掺杂碳纳米管/氮掺杂碳泡沫和Ni@氮掺杂碳纳米管/氮掺杂碳泡沫。当复合材料受到外力作用时，自催化的氮掺杂碳纳米管的分层结构起到了缓冲作用，表现出优异的机械性能，最大压缩应变为80%，并且能够承受1,000次的循环压缩释放。此外，复合材料中过渡金属物种的不同活性电势为该组件提供了1.4 V的最大工作电压，因此在功率密度为179.2 W kg–1 (1.4 mWh cm–3) 时能量密度可达10.74 Wh kg–1 (0.084 mWh cm–3)。即使在80%的应变下经过20,000次充放电循环后，还能保持88.4%的初始电容。 (3) 针对工作二所制备的复合材料力学强度和稳定性相较于弹性基板 NCF 没有显著提升的问题，采用电化学稳定的PEDOT作为可压缩电极“铠甲保护层”，通过理论计算揭示了具有不同离子半径和电荷量的阴离子掺入PEDOT后对其性能的影响及其内在机理。并采用原位化学氧化聚合法制备了 PF–6掺杂的 PEDOT 包覆氮掺杂碳泡沫复合材料 (PEDOT–PF–6/NCF)，显著提升了复合材料的力学性能、倍率性能 (在 20 mA cm–3时保持 81.1%)以及循环稳定性 (20,000 次循环之后保持初始容量的 95.9%)。基于PEDOT–PF–6/NCF复合材料组装的对称超级电容器最高能量密度达到28.3 Wh kg–1 (功率密度为128 W kg–1)，当功率密度达到2,560 W kg–1时，其能量密度仍然可以维持16.5 Wh kg–1。
可压缩超级电容器;自支撑多孔碳基复合材料;制备工艺;力学性能;电化学性能
广州大学
硕士
物理化学
肖抗
2023
中文
TM53;TM242:TM205.1
2023-08-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）