聚苯胺碳纤维柔性超级电容器电极材料的研究

聚苯胺/碳纤维柔性超级电容器电极材料的研究作为导电聚合物中的一元,聚苯胺因拥有高比容量、快速充放电速率及简单制备工艺条件等优点而获得了研究者的广泛关注;同时作为赝电容材料的一元,聚苯胺的微观形貌结构与其性能的发挥有密切的联系。研究工作中主要由以下两方面来充分利用聚苯胺的高比容量和缓解聚苯胺的低结构稳定性,一方面通过制备形貌均匀的聚苯胺纳米纤维或纳米线可以增加材料接触电解液的活性比表面积,同时有效地缓解在充放电过程中离子嵌入/脱出的阻力,从而提高电极材料的机械稳定性;另一方面可以将聚苯胺与碳材料或过渡金属氧化物材料复合,通过基元之间良好的协同作用,获得高比容量和高结构稳定性的复合材料。

基于以上思路,本论文设计了以下三部分实验。(1)通过二氧化锰模板法制备聚苯胺/碳布(CC-PANI)复合材料,以碳布作为柔性集流体并探究了最佳PANI制备时长。

其中CC-PANI-8h电极材料获得了最稳定的倍率性能和最高的电化学活性,从0.5A/g到10A/g,CC-PANI-8h的比容量维持率为64.5%,即使在10A/g的电流密度下,材料的比容量仍可以高达429.42 F/g。(2)以TEOS掺杂的碳纳米纤维作为碳基体制备聚苯胺/碳纳米纤维(PANI/SiCNF)二元复合材料,并探究了最佳TEOS掺杂浓度。

随着掺杂浓度的不同,PANI的微观形貌也存在一定的区别,其中

PANI/SiCNF-30样品获得最佳的倍率性能和较高的比容量,在1A/g电流密度下其比容量为433.54F/g,且20A/g的高电流密度仍高达286.97F/g,后者比PANI/CNF 增大了约184F/g及比纯PANI增大了约50F/g。(3)通过三部分实验我们成功制备了聚苯胺/二氧化锰/碳纳米纤维(PANI/MnO2/NPCNF)三元复合材料,并探究了

最佳MnO2制备时长。

研究结果表明PANI/MnO2(90min)/NPCNF三元复合材料拥有最高的比容量,在0.5A/g的电流密度下比容量高达587.3F/g(约为二元材料PANI/NPCNF的1.3倍),以及良好的倍率性能和长循环稳定性(当电流密度由0.5A/g增大至20A/g 时其容量维持率为63.65%,且在5A/g的电流密度下循环1000次容量仍可达328F/g,维持率约80%)。