聚苯胺及其復(fù)合材料電容性能研究.pdf

1、超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的一種新型的儲能裝置，具有比常規(guī)電容器更大的比能量，比蓄電池更高的比功率和循環(huán)使用壽命。導(dǎo)電聚合物材料聚苯胺能夠在被質(zhì)子酸和鋰離子摻雜后具有較高導(dǎo)電性，能夠三維體相內(nèi)實現(xiàn)電荷的儲存，因此再超級電容器領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為熱點。但目前對聚苯胺材料作為電容器由于氧化還原反應(yīng)的電位較低，因此電壓窗口較窄，能量密度較低，而且存在循環(huán)壽命較差的缺點，限制了其實際應(yīng)用的步伐。本論文針對這些問題，一是進(jìn)-步研究聚苯胺的

2、合成方法以及電極制備工藝，提升聚苯胺以及聚苯胺復(fù)合材料的比電容；二是將聚苯胺材料與碳材料和金屬氧化物制成復(fù)合材料與活性炭材料組成混合電容器來提升電壓窗口和能量密度。 本論文通過掃描電鏡、紅外光譜、循環(huán)伏安、交流阻抗、X射線衍射、恒流充放電等測試方法，對苯胺材料以及聚苯胺/活性炭和聚苯胺/二氧化錳復(fù)合材料及其組成的電容器性能進(jìn)行了研究。研究的電解液體系不僅包括常用的酸溶液，還包括用于鋰離子電池的有機電解液。本論文首次使用脈沖電位法

3、制備了聚苯胺材料：首次研究了聚苯胺/活性炭(PANI/C)復(fù)合材料在1mol/L LiPF6/EC+DMC有機溶液中電容性能；首次研究了聚苯胺/二氧化錳(PANI/MnO2)復(fù)合材料在1mol/LLiPF6/EC+DMC有機溶液中電容性能。 研究結(jié)果表明化學(xué)氧化法制備的聚苯胺材料在1mol/L H2SO4溶液中有良好的電容性能，0-0.7V電壓范圍內(nèi)單電極比容量最高可達(dá)654F/g，優(yōu)于HCl，HGNO3，HClO4中制備的聚苯

4、胺。以聚苯胺電極和活性炭電極組裝的混合電容器在1mol/L H2SO4溶液工作電壓范圍提升到1.2V，在1A/cm2電流密度下，比容量為72.3F/g，比能量則達(dá)13.2Wh/kg。以5mA/cm2電流密度將電容器循環(huán)充放電1000次，混合電容器比容量從53F/g下降到46.4F/g，衰減幅度為12.0％，具有較好循環(huán)性能。 考察了三種不同電化學(xué)制各方法對聚苯胺的影響。恒電位法中聚合電位控制在750-800mV范圍內(nèi)聚苯胺電化學(xué)

5、性能最佳，單電極比電容達(dá)到398.10F/g：恒電流法中聚合電流為3mA時，單電極比電容達(dá)到426.82F/g；脈沖電位法中脈沖頻率應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶?，上下限電位差越大聚苯胺電容性能越好。脈沖頻率為0.05Hz、上下限電位分別為800mV和200mV時單電極比電容達(dá)到512.28F/g，比恒電流和恒電位方法制備的聚苯胺分別提高了20.02％和28.68%。 聚苯胺/活性炭復(fù)合材料在1mol/L H2SO4溶液中具有良好的電容性能

6、。其單電極比容量高達(dá)448.7F/g，遠(yuǎn)高于純活性炭的281F/g。PANI/C—C混合電容器在1mol/LH2SO4溶液工作電壓達(dá)到1.35V，3mA/cm2電流密度下比容量為83.1F/g，比C—C電容器高82％，比能量高230％。經(jīng)1000次恒流充放電循環(huán)后，比容量保持了初始容量的89.1％，表明該混合電容器有較好的循環(huán)壽命。 使用循環(huán)伏安法在通化活性炭(2#C)上電聚合制備的聚苯胺修飾碳電極(PANI/C)材料在1mol

7、/L硫酸溶液中單電極達(dá)至U175F/g的比容量，與2#碳電極82F/g的比容量相比，提高了113.41％，表明了法拉第準(zhǔn)電容的巨大貢獻(xiàn)。PANI/C—C混合電容器比容量可達(dá)30.7F/g，與碳基電容器比容量21.1F/g相比提高了45.5 %。PANFC—C電容器經(jīng)過20000次循環(huán)的充放電后，比電容僅下降17％，具有較高的循環(huán)壽命。 PANI-C電容器在1mol/L LiPF6/EC+DMC電解液中的工作電壓范圍為0-1.5V

8、時，0.1 mA/cm2充放電比容量為36.0F/g，比能量為11.3F/g。經(jīng)1100次充放電循環(huán)，電容器比容量為32.2F/g，是初始容量的94.2%。PANI/C—C電容器在1mol/LLiPF6/EC+DMC有機溶液中電壓窗口可以擴展到2.5V，在0.2mA/cm2時比電容達(dá)到30.72F/g，比能量為27.86Wh/kg，相對于PANI-C電容器比能量增加了144.95％。PANI/C—PANI/C對稱型電容器在有機液中比電容

9、僅為18.97F/g，低于PANI/C—C和PANI-C電容器。 使用PANI/MnO2復(fù)合材料為正極的混合型電容器在1mol/L LiPF6/EC+DMC電解液的電壓范圍達(dá)到2.5V，在循環(huán)伏安圖上表現(xiàn)出較好的方形特征，比容量可達(dá)26.1F/g，與MnO2-C混合電容器的比電容19.68 F/g相比，提升了32.62％。 測試結(jié)果表明PANI及其復(fù)合材料在有機溶液中作為負(fù)極的性能較差，制約了電容器總體性能的改善，不適宜