准固态超级电容器用氧化还原介质掺杂凝胶聚合物电解质制备及电化学性能研究

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作为新一代超级电容器用电解质,凝胶(准固态)聚合物电解质具有稳定可靠的优点,可避免液态体系潜在的漏液、爆炸等问题,同时可使器件向小型化、超薄型化发展,因而具有较好的发展前景。但是,凝胶电解质在超级电容器中的应用仍受到以下制约:(1)相比于液态电解质,凝胶电解质的离子电导率(室温下为10-3S cm1数量级)仍然偏低,使得所组装的超级电容器大电流充放电性能较差;(2)凝胶电解质超级电容器为准固态,界面亲和度较差,造成体系内阻较大,影响了其性能。本工作以凝胶聚合物电解质的安全稳定性为基础,以提高其电化学性能为目标,利用氧化还原介质对传统凝胶电解质进行掺杂,制备了新型氧化还原活性电解质,并对以此为电解质的超级电容器的电化学性能和氧化还原介质在体系中的工作机理进行了研究探讨,具体如下:1. PVA-PVP-H2SO4-MB体系以亚甲基蓝(MB)为氧化还原介质,以PVA-PVP为聚合物基体,采用溶液共混法制备了PVA-PVP-H2SO4-MB凝胶电解质。经过MB掺杂,电解质的离子电导率提高了56%,达36.3mS cm-1;PVA-PVP-H2SO4-MB凝胶电解质超级电容器的单电极比电容(Cs)达到328F·g-1,比未掺杂MB电解质超级电容器体系提高了164%;能量密度也从3.2Wh·kg-1提高到10.3Wh·kg-1;此外,超级电容器还表现出较低的电阻和较好的循环稳定性。2. PAA-PVA-KOH-K4[Fe(CN)6]体系以化学交联法制备了PAA-PVA聚合物基体,利用该基体吸附由KOH与氧化还原介质K4[Fe(CN)6]组成的混合溶液,采用两步法制备了PAA-PVA-KOH-K4[Fe(CN)6]凝胶电解质。经过优化,该凝胶电解质电导率达到417mS cm1;以PAA-PVA-KOH-K4[Fe(CN)6]电解质组装的准固态超级电容器的Cs达到328F·g-1,能量密度达到11.5Wh·kg-1;此外,超级电容器表现出优秀的循环性能。3. PVA-H2SO4-PySH体系以2-巯基吡啶(PySH)为氧化还原介质,采用溶液共混法制备了新型、高效的PVA-H2SO4-PySH凝胶电解质,其离子电导率达43.3mS cm1。由于PySH较高的氧化还原活性,PVA-H2SO4-PySH凝胶电解质超级电容器的Cs高达394F·g-1,比未掺杂PySH电解质超级电容器体系提高了188%;超级电容器的能量密度与功率密度也分别提高到12.4Wh·kg-1和496W·kg-1;此外,超级电容器还表现出较好的循环稳定性和较低的自放电能力。引入适当的氧化还原活性物质可有效增强离子在电解质中的迁移扩散,从而增大电解质的电导率。上述三种氧化还原介质对器件性能均有较明显地提高,在新型氧化还原介质掺杂凝胶电解质体系下,超级电容器是一种杂化型储能装置,其电容由两个部分组成:基于碳材料的双电层电容和氧化还原介质引入的赝电容。
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