基于PAN-b-PEG-b-PAN凝胶电解质的制备、改性及超级电容器应用研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:fengrui0216
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全固态超级电容器具有安全不漏液、轻便超薄等优点,成为近些年的研究热点,但是一直存在一些不足,如:离子电导率、热稳定性能、电化学性能偏低等,使得传统的全固态超级电容器在实际应用中有很多限制。而凝胶聚合物电解质的提出,使得全固态超级电容器的性能得到了提高,它具有极高的离子电导率、热稳定性、机械性能,以及安全性能高、绿色环保等,得以被广泛应用研究。本论文着重研究基于PAN-b-PEG-b-PAN的凝胶聚合物电解质的性能,并通过共混和无机盐掺杂等一系列改性方法来提高凝胶聚合物电解质的性能。以下介绍本论文即将展开的所有工作:(1)研究PAN-b-PEG-b-PAN凝胶聚合物电解质的制备和性能以及基于该凝胶聚合物电解质的全固态超级电容器的电化学性能。以三嵌段共聚物PAN-b-PEG-b-PAN、TEABF4离子电解液、二甲基甲酰胺(DMF),采用溶液流延法,制备基于PAN-b-PEG-b-PAN/DMF/TEABF4凝胶聚合物电解质膜,室温离子电导率可高达4.9×10-22 S/cm;探究TEABF4的含量对凝胶聚合物电解质超级电容器性能的影响,发现随着电解质盐的增加,电化学性能逐渐提高,但是当PAN-b-PEG-b-PAN/DMF/TEABF4的质量比为1:15:15时,再继续添加TEABF4电解液,电化学性能反而会降低。当PAN-b-PEG-b-PAN/DMF/TEABF4的质量比为1:15:15时,比电容可达142.15 F/g,能量密度达到518.14 J/g,3000次循环后仍保持91.8%的电容遗留率。(2)通过与PVDF-HFP共混,和掺杂无机盐SiO2,对基于PAN-b-PEG-b-PAN的凝胶聚合物电解质进行改性研究。进行无机掺杂改性时,当Si O2的添加量达到0.1 g时,该全固态超级电容器性能最优,室温下离子电导率达到5.1×10-22 S/cm,比电容值是152 F/g,能量密度达到554.04 J/g,同时,循环稳定性也有所提高;进行共混改性时,当m(PAN-b-PEG-b-PAN):m(PVDF-HFP)=1:1时,共混凝胶聚合物电解质的性能达到最好,室温离子电导率提高到5.22×10-22 S/cm,基于PAN-b-PEG-b-PAN/PVDF-HFP共混凝胶聚合物电解质全固态超级电容器的比电容值最高为153 F/g,能量密度为557.69 J/g,3000次循环后电容遗留率提高到94.2%;在共混基础上,再进行SiO2的无机掺杂,得到离子电导率的值是5.48×10-22 S/cm,基于SiO2掺杂PAN-b-PEG-b-PAN/PVDF-HFP共混凝胶聚合物电解质全固态超级电容器的比电容值为159.8 F/g,能量密度达到582.47 J/g,3000次循环后的电容遗留率提高到97%,说明对凝胶聚合物电解质改性后,离子电导率及相应的全固态超级电容器的电化学性能也提高了。(3)除上述工作外,还测试了凝胶聚合物电解质膜的热稳定性,X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)。结果证明它在25℃-120℃的温度范围可以保持稳定,并且证明了添加TEABF4电解液降低了PAN-b-PEG-b-PAN的体系结晶度,凝胶聚合物电解质膜的表面形貌呈现均匀分布的孔隙结构,电解质各部分的相容性相对较强。同时,为了制作全固态超级电容器,制备了活性炭(AC)材料的电极,并且使用扫描电子显微镜(SEM)对电极的表面形貌进行表征,进行BET测试以获得氮气吸脱附曲线和孔径分布谱,结果说明它是一种孔隙分布均匀的多孔结构,这些孔由细小的碳颗粒组成。进一步的研究表明,AC/GPE/AC系统可以很好地呈现出全固态超级电容器的性能,并且活性炭电极和凝胶聚合物电解质可以很好地接触和渗透,这有利于离子传输。
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