聚(3,4-乙烯二氧噻吩)/碳材料复合电极材料的制备及性能的研究

来源 :东华大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:asdfghjki
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21世纪,解决日趋短缺的能源问题和日益严重的环境污染,对我国的科学技术界带来了挑战,各种高能电能存储装置在未来的人类社会发展中将发挥不可或缺的作用。近几年,对超级电容器的能量储存机理和先进纳米结构材料的研究不断取得新突破,使超级电容器的电化学性能得到了显著的提高。其中,将一种或多种具有高赝电容的物质与不同结构碳材料制备成复合材料,得到具有较高电化学性能的新型电极材料。二氧化锰(MnO2)由于具有高比电容、资源广、价格低廉、制备简单和环境友好等特点,而聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)不仅具有上述优点,还具有高导电性,因此均受到广泛研究。本文选择具有一定机械强度、柔韧性和高导电的碳布(CC)及碳纸(CP)作为碳材料基体,在其表面通过气相蒸发沉积聚合法(EVPP)分别制备了PEDOT/CC、PEDOT/CP、PEDOT/MnO2/CC和MnO2/PEDOT/CC可自支撑复合电极材料,并对复合电极材料的形貌与结构及其电化学性能进行了测试和研究。首先将CC通过浓硫酸表面蚀刻处理后作为基体材料,采用气相蒸发聚合法制备pedot/cc复合材料。通过控制单体与氧化剂的摩尔比,聚合时间,聚合温度等条件,制备了一系列不同厚度的pedot/cc复合材料,采用fesem、ftir、raman、xrd、xps等手段对其结构和形貌进行了表征,并通过循环伏安(cv)、恒流充放电(cd)、交流阻抗(eis)等测试方法对其电化学性能进行了研究。结果表明,当单体与氧化剂摩尔比为7.1,聚合时间为185min,聚合温度为130℃时有利于纳米针状pedot的形成。所制备的pedot/cc-t185复合材料在1ma/cm2下的比电容高达211mf/cm2,由1ma/cm2增大至10ma/cm2其倍率性能保持68.3%,1ma/cm2的电流密度下循环3000次后,比电容保持初始的85.7%。将其组装为柔性超级电容器,最大瞬时功率密度为20.3mw/cm2,最大能量密度为18.56μwh/cm2。由于碳纸比碳布具有更高的电导率,按照已探究得到的实验条件,通过控制edot单体的含量得到在cp表面生长不同形貌pedot的纳米结构,制备了一系列pedot/cp复合材料,在1ma/cm2时比电容达到138mf/cm2,电流密度1ma/cm2从10ma/cm2,比电容保持在59.5%;电流密度2ma/cm2时循环4000次后,比电容保持初始的72.6%。碳纸虽然具有更高的电导率,但形成的复合材料电容性不及pedot/碳布复合材料。为达到更高的比电容值,将pedot/mno2/cc制成三元复合材料,研究了聚(3,4乙烯二氧噻吩)和二氧化锰两者同时沉积在表面改性的碳布上的协同效果,构造了pedot/mno2/cc、mno2/pedot/cc两种不同三元复合材料结构,在1 mA/cm2下,两者各自的比电容分别为391.3 mF/cm2和295.7 mF/cm2,倍率性能在电流密度由1 mA/cm2增大10倍时分别保持46.3%和70.8%。在电流密度为1 mA/cm2时恒电流充放电3000次之后,比电容分别保持初始值的76%,86.4%。在二电极测试体系下,对于PEDOT/MnO2/CC-1#复合材料进行了测试,在电流密度为1 mA/cm2时,由二电极法的计算方式得到材料的比电容为495 mF/cm2,电流密度由1 mA/cm2增大至10 mA/cm2时,倍率性能达到了62.6%。
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