【摘 要】
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柔性超级电容器作为一种新型的能源存储装置,在便携式、可穿戴设备领域具有潜在的应用价值,而电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一。碳布(CC)作为一种典型的柔性基底材料,因其高柔韧性和高导电性而受到广泛关注,但是其存在比电容较低的缺点。为解决这一问题,将高性能的金属硫化物直接负载在碳布上,可以有效提高材料的电化学性能。本文以碳布为研究对象,分别与Sn S2、CuS和VS2三种金属硫化物进行复合,
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柔性超级电容器作为一种新型的能源存储装置,在便携式、可穿戴设备领域具有潜在的应用价值,而电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一。碳布(CC)作为一种典型的柔性基底材料,因其高柔韧性和高导电性而受到广泛关注,但是其存在比电容较低的缺点。为解决这一问题,将高性能的金属硫化物直接负载在碳布上,可以有效提高材料的电化学性能。本文以碳布为研究对象,分别与Sn S2、CuS和VS2三种金属硫化物进行复合,充分利用碳材料和金属硫化物两者之间的协同效应,获得高性能的柔性电极材料,并通过组装非对称柔性超级电容器验证其在实际应用中的可行性。采用简便的一步水热法,在酸化的碳布表面自生长了一层二维的Sn S2纳米片,通过调控水热反应温度对获得的Sn S2/CC复合材料进行表面形貌对比和电化学性能分析。当反应温度为180℃时,碳布表面的Sn S2纳米片分布最为均匀,显示出最佳的电化学性能(194.4 m F cm-2),且在10000次的循环测试之后保留初始比电容的86.5%。当扫描速率从10 m V s-1增大到50 m V s-1时,电容贡献率从75.6%上升到87.7%。以Sn S2/CC-180为电极组装的非对称型柔性超级电容器在不同弯曲角度下经过多次弯折后其性能无明显衰减,器件经过5000次循环后电容保持率为75%,并展示出较高的能量密度和功率密度。以提高电极材料的电容性能为目标,通过一步溶剂热法将高性能的CuS纳米片负载在碳布表面。这些纳米片相互交错生长,暴露出更多的活性位点,有利于电解质离子的传输。研究结果表明,CuS/CC复合材料的电容性能得到了显著提升,其中反应时间为4 h的CuS/CC-4比电容最高,在1 m A cm-2达到436.5 m F cm-2,且经过5000次循环后比电容仍能保持75.1%。在此基础上组装的非对称型柔性超级电容器可将电压窗口提高至1.6 V,并在5000次充放电循环后比电容保持率可以达到86.4%。器件的能量密度最高可达到0.027 m Wh cm-2,将两个器件串联可以使一个2 V的LED灯点亮60秒。为了进一步提高器件的能量密度和功率密度,在不同水热时间条件下制备了VS2/CC-6、VS2/CC-12、VS2/CC-18和VS2/CC-24四组样品。在1 M Na2SO4的电解液中进行电化学性能测试,结果表明VS2/CC-12的微观形貌和电化学性能均呈现最佳状态(在1 m A cm-2下比电容高达972.5 m F cm-2),并在10 m A cm-2下进行10000次的充放电测试后其比电容仍能保持77.5%。当扫描速率从10 m V s-1扩大到50 m V s-1时,赝电容贡献率从71.1%下降至53.1%,表明赝电容贡献占据主导地位。以该复合材料所组装的非对称型柔性超级电容器能够在1.7 V的宽工作电压窗口下稳定工作,且在5 m A cm-2下比电容高达550.6 m F cm-2。经过5000次充放电测试后器件的比电容保持率为81.2%,最大能量密度和功率密度分别为0.22 m Wh cm-2和8.26 m W cm-2。本文以碳布为基底,利用碳布的高导电性和金属硫化物较高的电容性能,充分发挥出不同组分的优势。Sn S2纳米片能够改善纳米材料的团聚现象和循环性能;CuS纳米片进一步促进电子的传输和转移,显著提高电极材料的电容性能;VS2纳米片则能够综合提高电极材料的比电容和器件的能量密度。所制备的非对称柔性超级电容器在不同弯曲角度下性能无明显下降,并可以为LED灯稳定供能,具有优异的机械稳定性和实际应用价值。本文制备的碳布基金属硫化物电极材料及其柔性超级电容器具备出色的柔韧性和电化学性能,在柔性储能领域表现出巨大的应用潜力。
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