离子液体与聚苯胺在超级电容器中应用研究

论文摘要

超级电容器是一种近年内出现的具有良好发展前景的储能器件,由于其具有极高的功率密度和较高的能量密度,能够进行快速充电和大电流放电,在能量存储领域展现出了广泛的应用前景。离子液体作为一种新兴的绿色溶剂,具有电化学窗口宽、电导率高、热稳定好、不挥发、不燃烧等优点,能够大大提高超级电容器的工作电压和环境稳定性,在作为超级电容器电解液的应用中具有广阔的前景。聚苯胺是一种新型的导电聚合物材料,具有电导率高,环境稳定性好,价格低廉等优点,是一种优良的超级电容器电极材料。以离子液体作为超级电容器的电解液,以活性碳作为电极材料,用循环伏安法测试超级电容器电极在离子液体中的电容特性,发现以离子液体作为电解液,超级电容器的工作电压能够提高到3V以上,并保持很高的比电容。用恒流充放电测试,计算并比较了[EMIm]BF4、[EMIm]NTf2、[BMIm]BF4、[BMIm]NTf2等常规离子液体的比电容。以具有较高工作电压的醚基功能化离子液体为电解液,测试了超级电容器在不同充电电压下的工作性能。测试了离子液体和有机溶剂作为电解液时超级电容器的自放电速率,发现离子液体作为电解液时,表现出了与有机电解液体系明显不同的自放电行为。观察了离子液体不同水分含量条件下的自放电速率,结果表明水含量对超级电容器的自放电行为有较大影响,但当水含量低于1000ppm时,影响不再明显。并测试了不同充电电压对超级电容器自放电行为的影响。聚苯胺是一种非常理想的超级电容器电极材料。用原位电聚合的方法在不锈钢电极（SS）上制备出了由ClO4-,SO42-,NO3-,TsO-（对甲苯磺酸根）,BF4-等离子杂化的聚苯胺（PANI）（厚度5～10μm）,电聚合电量为0.05～1.2C/cm2。通过扫描电镜表征,不同的杂化离子对电聚合聚苯胺的表面形貌产生了不同的影响,分别产生了纳米多孔、颗粒、纤维等多种表面结构。循环伏安研究结果表明由硫酸根和高氯酸根杂化的电聚合聚苯胺具有相对较高的比电容,出现了明显的由于赝电容产生的氧化还原峰。恒流充放电测试研究表明,在电流密度为2A/g的情况下,由上述离子杂化的聚苯胺的比电容分别为645.6F/g,468.3F/g,345.8F/g,275.6F/g,218.6F/g,当恒流充放电电流密度为1A/g时,由硫酸根和高氯酸酸根杂化的电聚合聚苯胺电极的比电容分别达到690.3 F/g和478.2 F/g,说明硫酸根和高氯酸根杂化聚苯胺电极具有相对较高的比电容,而电极稳定性研究表明经过1000次循环,高氯酸根和硫酸根杂化的聚苯胺电极的比电容分别衰减48%和23%,表明PANI-SO4电极具有比PANI-ClO4电极更高的稳定性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 引言
• 2 超级电容器介绍
• 2.1 超级电容器发展历史及产业化现状
• 2.2 超级电容器原理
• 2.2.1 双电层电容原理
• 2.2.2 法拉第赝电容原理
• 2.3 超级电容器结构
• 2.3.1 电极材料
• 2.3.2 电解质溶液
• 2.3.3 隔膜
• 2.3.4 集流体
• 2.4 超级电容器性能指标及测试方法
• 2.4.1 循环伏安测试
• 2.4.2 恒流充放电测试
• 2.4.3 交流阻抗测试
• 2.4.4 漏电流测试
• 3 离子液体电解液及聚苯胺电极材料研究进展
• 3.1 离子液体电解液研究进展
• 3.2 聚苯胺电极材料研究进展
• 4 离子液体电解液研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验试剂
• 4.1.2 实验仪器设备
• 4.1.3 实验步骤
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 不同电解液体系下超级电容器单电极循环伏安测试
• 4.2.2 超级电容器在常规离子液体中的恒流充放电测试
• 4.2.3 离子液体超级电容器不同充电电压下的性能
• 4.2.4 离子液体型超级电容器自放电行为研究
• 4.3 小结
• 5 聚苯胺电极材料研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验试剂
• 5.1.2 实验仪器设备
• 5.1.3 实验步骤
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 不同杂化离子对电聚合聚苯胺的表面形貌的影响
• 5.2.2 不锈钢SS电极上电聚合聚苯胺的电化学行为
• 5.2.3 电聚合PANI电极的恒流充放电测试
• 5.3 小结
• 6 总结
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢
• 附件