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导电高分子修饰活性炭电极的制备与电化学性能研究

刘兰

  超级电容器是一种介于普通电容器和蓄电池之间的储能器件,超级电容器优越的性能使其在许多场合有着独特的应用优势,发挥着不可替代的作用。对超级电容器的研究和应用越来越受到人们的关注。 电极材料是影响电容器的关键因素。本文制备了活性炭电极,聚苯胺/活性炭电极,聚2,5-二羟基苯胺/活性炭电极。并通过扫描电子显微镜,循环伏安、恒流充放电技术、交流阻抗技术对电极的形貌和电化学特性进行了分析。主要内容和结果如下: 1.活性炭电极的制备与表征 研究了活性炭电极的制作工艺,制备了活性炭电极。活性炭电极的循环伏安曲线呈现“矩形”特征;活性炭电极的充放电曲线均为线性;EIS表明:活性炭电极的接触电阻约为2.5Ω,传质电阻约为1Ω;电流密度为3 mA·cm-2时,活性炭电极的比电容为285.6 F·g-1;在电流密度为10 mA·cm-2时,为3 mA·cm-2时的63.9%;150次循环后,活性炭电极的比容几乎没变化。 2.聚苯胺/活性炭电极的制备与表征 以制备性能优异的高比容聚苯胺/活性炭(PANI/AC)电极为目的,我们通过不同方法,在活性炭电极上沉积了一层PANI膜,制备了复合电极,并进行了电化学性能研究。 (1)循环伏安法制备聚苯胺/活性炭电极(-0.2 V-0.8 V,7圈),SEM表明:聚苯胺形貌为直径100 nm的纳米棒,整体呈现三维网状结构;循环伏安曲线上有明显的氧化还原峰;充放电曲线上有明显的充放电平台;EIS表明:活性炭电极和复合电极的接触电阻约为2.5Ω,在0.4 V时,复合电极的传质电阻比活性炭电极要小,进一步证明了聚苯胺有较好的导电性;在电流密度为3 mA·cm-2时,电极的比容高达758.53 F·g-1,比活性炭电极提高约1.7倍。复合电极的大电流充放电性能也得到改善。电流密度为3 mA·cm-2时,在400个循环时,电极的比容保持了82.01%;电流密度为5 mA·cm-2时,600个循环时,电极的比容为初始比容的83.42%。 (2)循环伏安法制备聚苯胺/活性炭电极(-0.2 V-0.9 V,4圈),循环伏安曲线上有明显的氧化还原峰;充放电曲线上有明显的充放电平台;阻抗结果表明,复合电极的接触电阻约为2.7Ω,在0.4 V时,复合电极的传质电阻反而比活性炭电极要小;在电流密度为3 mA·cm-2时,电极的比容高达781.69 F·g-1,比活性炭电极提高约1.7倍,但是电极的大电流充放电性能没有得到明显改善,有待进一步改进。电流密度为3 mA·cm-2时,经过410个循环后,电极的比容保持了67.15%,可能是因为高电压下制备的聚苯胺可逆性不好,在反复充放电过程中,降解的快,电极的比容下降较快。循环稳定性有待进一步提高。在电流密度为5 mA·cm-2时,经过350个循环后,电极的比容为初始比容的95.5%。 (3)恒电位法制备聚苯胺/活性炭电极,SEM表明聚苯胺呈现直径约为100nm纳米棒状结构;循环伏安表明PANI/AC电极有明显的氧化还原峰,与循环伏安法制备的活性炭电极相比,恒电位法制备的复合电极的曲线变形较为严重;恒流充放电曲线有明显的充放电平台;EIS表明,既使在0.4 V时,复合电极的传质电阻比活性炭电极大。在电流密度为3 mA·cm-2时,复合电极的比电容为473.52F·g-1,比循环伏安法制备的电极比容小很多。在电流密度为3 mA·cm-2时,370个循环时,为初始比容的71.8%。在电流密度为5mA·cm-2时,经过290个循环后,电极的比容为初始比容的82.0%。循环稳定性有待进一步提高。 3.聚2,5-二羟基苯胺/活性炭电极的制备与表征 (2)通过化学氧化法合成了聚2,5-二羟基苯胺粉末(PDHA),首次将PDHA与活性炭、炭黑、聚偏氟乙烯(PVDF)混合,采用活性炭电极制备工艺,制备了聚2,5-二羟基苯胺/活性炭(PDHA/AC)电极。CV测试表明,复合电极有较高的背电流,氧化还原峰明显;恒流充放电测试表明有明显的充放电平台;EIS测试表明0.4V时电极的传质电阻最小,与CV和恒流充放电测试一致。在电流密度为5mA·cm-2,经过700个循环后,电极的比电容较初始比容几乎没衰减。电流密度为10 mA·cm-2时,直至572个循环,复合电极的比容为初始比容的75.75%。 (2)首次采用电化学方法,在活性炭表面上成功制备了一层PDHA膜,SEM表明纳米纤维PDHA相互缠绕形成三维网络形貌, CV测试时有较高的背电流,有明显的氧化还原峰,恒流充放电测试时,有明显的充放电平台;EIS表明复合电极和活性炭电极的接触电阻约为2.8Ω,在0.4V时电极传质电阻最小,并且小于活性炭电极,证明了PDHA可以提供更多的活性点,导电性较好;在电流密度为3 mA·cm-2时,复合电极的比容高达958.51 F·g-1,比活性炭电极约提高2.5倍,并且远高于上述我们制备的聚苯胺/活性炭电极,具有较好的大电流充放电性能;在测试的200个循环里,复合电极的比容为初始比容的90%,循环稳定性良好。……   
[关键词]:电化学超级电容器;聚苯胺;聚2;5-二轻基苯胺;活性炭
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:中国海洋大学2010年