基于碳布柔性超级电容器负极材料的设计与制备

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基于碳布柔性超级电容器负极材料的设计与制备超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的能量储存装置,集高能量密度、高安全性、长寿命等优点于一身,近年来受到了广泛的关注和研究。

同时,随着新型材料以及柔性电子工艺的发展,大量轻薄、便携、可折叠的柔性电子设备正不断进入我们的生活,开发出能够与新型电子设备匹配的柔性储能器件成为当前的研究重点。

柔性超级电容器在具备超级电容器特性的同时,又具有良好的机械柔韧性,因此,柔性超级电容器的研究变得日益火热。

其中,影响柔性超级电容器电容性能的关键在于电极材料的设计。

本文以柔型超级电容器的电极材料为研究目标,选用导电性好、质量轻、柔性的碳布为初始原料,制备了两种可用于柔性超级电容器的电极材料,研究两种电极材料的电化学性能;并以制备的两种材料作为负极材料,选用合适的正极材料,组装非对称柔性超级电容器,研究其功率密度和能量密度。

本文主要研究内容如下:（1）利用湿化学处理方法氧化商用碳布,然后在熔融的NaNH2中活化,制备出活性碳布（MACC）。

所制备的MACC具有氧官能团适中、氮杂原子均匀、润湿性好、表面积大、导电率高、机械强度好等优点。

采用三电极测试方法,对所制备的MACC进行了电化学性能测试。

测试结果表明,MACC在电流密度为1 mA cm-2时具有744.5 mF cm-2的高面积比电容,在高电流密度为50 mA cm-2时显示出692.0 mF cm-2的高面积比电容,在6M KOH电解质中电容保持率高达92.93%。

以MACC为负极材料,Co（OH）2为正极材料,组装
MACC//Co（OH）2柔性非对称超级电容器。

该柔性非对称超级电容器在2 mA cm-2电流密度下的面积电容373.9 mF cm-2,在19.45 mW cm-3的功率密度下,相应的能量密度可达1.49mWh cm-3。

结果表明,所制备的MACC具有应用于柔性超级电容器的价值。

（2）通过模板置换法,在碳布表面合成具有“狼牙棒状”的α
-Fe2O3/C纳米阵列作为柔性超电容器的负极材料。

通过SEM和TEM表征,α-Fe2O3/C纳米阵列具有空心结构,由α-Fe2O3纳米颗粒和碳纳米颗粒组成,且α
-Fe2O3纳米颗粒与碳纳米颗粒之间存在介孔结构。

电化学测试表明,合成的α-Fe2O3/C电极具有比
纯α-Fe2O3纳米阵列更高的电化学性能。

当电流密度为1 mA cm-2时,α-Fe2O3/C电极比电容为430.8 mF cm-2和391.8 F g-1。

当电流密度升至10 mA cm-2,电容保持率仍可以保持73.2%。

另外,α-Fe2O3/C电极以200 mV s-1的扫描速度循环4000次后,电容损失仅为8.2%,说明其具有良好的循环稳定性。

以α-Fe2O3/C为负极,MnO2为正极,
组装成非对称的超级电容器,对α-Fe2O3/C的电化学
性能进行了深入的研究。

得益于α-Fe2O3/C电极的独特设计,以1M Na2SO4为电解质组装的水系非对称柔性超级电容器在14.7mW cm-3的功率密度下有0.64mWh
cm-3的能量密度;以1M Na2SO4/CMC凝胶电解质组装的固态超级电容器在功率密度16.8mWcm-3下具有0.56 mWh cm-3的能量密度。

以上结果表明,碳布上负载“狼牙棒状”α-Fe2O3/C 纳米阵列电极材料可以很好的应用于柔性超级电容器。