聚苯胺基電極材料的制備及其在超級電容器中的應用研究.pdf

1、超級電容器是一種重要的儲能設備,它可以提供比電池更高的功率密度和比傳統(tǒng)靜電電容器更高的能量密度,已經成為人們關注和研究的熱點。電極材料是影響電容器電化學性能的主要因素之一,目前有關超級電容器的研究主要集中在開發(fā)高性能的電極材料。電極材料主要有以下三種類型:碳基材料、金屬化合物和導電聚合物。聚苯胺(PANI)是一種典型的導電聚合物,它具有原料易得、合成簡便、成本低廉等優(yōu)點,并且具有良好的導電性、化學穩(wěn)定性和贗電容儲能特性,被認為是一種具有

2、很大發(fā)展?jié)摿Φ某夒娙萜麟姌O材料。除此之外,以聚苯胺作為碳前驅體所制備的氮摻雜碳材料被認為是在碳基材料中提供贗電容性能的理想途徑。本論文中,我們制備了導電聚苯胺基電極材料如聚苯胺納米管、用聚苯胺納米管作為正極材料組裝成不對稱超級電容器和直接碳化聚苯胺制備氮摻雜碳材料,并對所制備的材料的形貌、結構及電化學性能等進行了較詳細的研究。主要研究內容和結果如下:
　　1、采用無模板和無表面活性劑的一步原位聚合方法,以 D-酒石酸(D-TA)

3、為摻雜酸,過硫酸銨為引發(fā)劑,通過優(yōu)化摻雜酸與苯胺單體的摩爾比([D-TA]/[An]),成功制備出具有優(yōu)異電化學性能的酒石酸摻雜聚苯胺納米管(PANI-(D-TA))。電化學測試結果顯示,[D-TA]/[An]為1:1時所制備的PANI-(D-TA)納米管電極材料的比電容在電流密度為1 A g-1時高達625 F g-1。經過500次循環(huán)穩(wěn)定性能測試,其電容量保持率仍然具有77％。PANI-(D-TA)納米管電極材料具有的優(yōu)異電化學性能

4、主要歸因于它們獨特的納米管狀結構,該結構可以提供電極和電解液之間大的接觸面積,同時縮短了電解液中離子的擴散路徑。這些新穎的PANI-(D-TA)納米管電極材料有望應用在高性能超級電容器中。
　　2、新型的不對稱電容器(PANI//WO3)基于正負極均為贗電容性能電極材料,其中以聚苯胺(PANI)納米管作為正極,三氧化鎢(WO3)納米棒為負極組裝而成,在電解液為1 M H2SO4水系電解液對其電化學性能進行研究。由于PANI和WO3

5、具有不同的工作電壓范圍和大的比電容量,所組裝的PANI//WO3不對稱電容器在1 M H2SO4水系電解液中工作電壓范圍高達2 V,比電容值在電流密度為0.5 A g-1下高達302 F g-1;當功率密度為261 W kg-1時其能量密度達41.9 Wh kg-1。除此之外,該不對稱電容器具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性能,經過2000次的充放電循環(huán),電容量仍然具有起始容量的83%。這些結果表明,開發(fā)廉價的導電聚合物正極和金屬氧化物負極材料應用于

6、低成本、高能量和高功率密度的不對稱超級電容器可以成為下一代能源存儲系統(tǒng)在不同需求方面的又一選擇。
　　3、采用所制備的分散性較好的納米球狀聚苯胺(PANI)作為碳前驅體通過簡單的直接碳化方法制備了氮摻雜碳納米球。納米球狀聚苯胺首先是通過一步原位聚合的方法,用羧甲基纖維素鈉作為結構導向劑制備得到;再通過不同溫度下高溫熱解聚苯胺得到了氮摻雜碳納米球(C-PANI)。電化學測試結果顯示, C-PANI-800碳納米材料作為超級電容器的電