超级电容器用聚合物基水凝胶的制备及性能研究

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近年来,随着人们对于便携式、轻薄型、智能化电子产品的追求越来越高,柔性超级电容器的研究热度也持续升高,而提供更柔韧、更轻薄、物理性质更稳定的电解质材料是开发多元化柔性超级电容器必不可少的要求。水凝胶聚电解质是一种绿色环保、无污染以及低成本的电解质,其形态介于固态和液态之间,离子电导率高于固态电解质,安全性能优于液态电解质。因此,本论文选取水凝胶聚电解质作为研究对象,通过制定合理的实验方案制备高离子电导率的水凝胶聚电解质膜,优化电解质的电化学性能,具体研究内容如下:
  ( 1 )以 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸( AMPS )和甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为单体,通过共聚法制备了 PAMPS/PHEMA水凝胶聚电解质。以此电解质组装超级电容器,并进行了一系列的电化学测试。结果表明,该电解质内部优异的网络结构以及独特的水凝胶性质为离子的传输迁移提供可靠的支持,表现出不逊于水系电解质的优异性能。其中,在 H2SO4电解液中所表现出的电化学性能最佳,在0.1 A/g的电流密度下器件的质量比电容达到了139.8 F/g。
  (2)为进一步提高水凝胶电解质的离子电导率,以原位聚合的方式,将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)引入到 PAMPS/PHEMA水凝胶聚电解质体系中。随后,以复合凝胶电解质膜 PAMPS/PHEMA/PEDOT 组装超级电容器并进行电化学性能测试。在 5 mv/s 的扫描速率下,超级电容器的电容量可达到了140.5 F/g,较 PAMPS/PHEMA水凝胶聚电解质体系提升了 88.8%。实验结果证明了通过原位聚合的方式对 PAMPS/PHEMA凝胶体系进行 PEDOT掺杂可有效优化凝胶电解质的电化学性能。
  (3)为探索电解质在柔性超级电容器中的应用价值, 以PAMPS/PHEMA/PEDOT 水凝胶作为电解质、泡沫镍作为集流体,活性炭作为活性物质组装了柔性超级电容器,并对其进行电化学稳定性测试。结果显示该柔性器件在90°和180°的形变下能保持正常状态下84.5%和74.4%的电化学性能,说明该凝胶电解质具有良好的耐弯曲耐折叠性能。此外,对柔性超级电容器进行拓宽电压窗口测试和破坏性试验,电压窗口可达 2 V,裁剪之后可以基本保持输出电压不变。实验结果表明该凝胶电解质组装的柔性超级电容器储能器件具有一定的实际应用前景。
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