可拉伸导电水凝胶设计及其制备方法与储能器件应用研究

来源 :南京邮电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhuguangxinli
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导电水凝胶是一种结合电导性与水凝胶多孔吸水特性的新型柔性电极材料,由于其电性能和机械性能的可调性被广泛关注。然而,目前大多导电水凝胶的制备方法是通过电活性填料与绝缘聚合物基质结合方式制备,该方法在获得较好机械灵活性的同时不可避免的影响了其电学性能。基于此,本论文致力于开发兼具高导电性和机械灵活性的导电水凝胶电极材料及探索新型制备工艺,以实现低成本大面积制备高性能、可集成的超级电容器件,从而适应并推动柔性储能技术的发展。研究主要内容包括导电水凝胶的高导电性和机械灵活性协同调控、电极制备、性能表征及器件应用,主要工作如下:1.设计了一种本征可拉伸的高导电水凝胶。针对目前导电水凝胶的高导电性和机械灵活性难以兼具的问题,提出了一种有效的协同调节策略:通过对PEDOT:PSS导电材料的成分和微观结构进行调控,利用高沸点溶剂(DMSO)的导电增强效应和表面活性剂(Triton X-100)的增塑效应,经过低温浓缩和高温重结晶两步热处理过程,构建了独立自支撑的PEDOT:PSS水凝胶,实现了超高导电性(~3000 S m-1)与优秀机械拉伸性(~55%)的协同调控。同时,所制备的水凝胶还具有高回弹性、低杨氏模量、优异的溶胀性能以及可3D印刷适性。此外,将制备的PEDOT:PSS水凝胶作为电极组装成自支撑高弹性全凝胶SCs,展示出了高面积比电容(C:~177 m F cm-2),良好的储能能力(E:~15.76μWh cm-2,P:~400μW cm-2)。这为未来柔性储能器件的电极材料的发展提供了新参考,同时扩展了柔性电子大面积产业化与广泛应用的可能性。2.提出了一种可拉伸线状全凝胶超级电容器制备方案。针对传统薄膜储能器件体大质重、不透气、不灵活、难以集成等缺点以及目前线状SCs电极多为在线状纺织物上沉积活性材料,从而使制备的线状SCs在平直状态不具备拉伸性等局限,提出了通过添加剂与导电聚合物物理交联作用制备出可拉伸线状导电水凝胶电极,之后将制备的电极浸润凝胶电解质并组装成螺旋线状结构的全凝胶超级电容器。该超级电容器各组成成分皆为凝胶,可以不需要其他基底而实现本征可拉伸;其螺旋线状结构可以最大利用电极表面积以扩大界面离子吸附电荷存储。所制备的可拉伸线状全凝胶超级电容器具有优秀电化学性能(~1.12 F g-1)、本征可拉伸(~78%)、优秀电化学稳定性(经过1000次充放电循环后电容保持率~80%)和良好储能能力E:~360 m Wh g-1,P:~7200 m W g-1),并且具有可任意变形与编织等特点,可为可穿戴设备中需要高度集成的储能器件提供一个可靠技术方案。
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