聚苯胺基超级电容器的组装与性能研究

论文摘要

超级电容器是一种新型的能量转换和储存元件,由于具有大容量和高功率密度而备受关注。超级电容器在使用一段时间后,电容值会不断衰减。电容值衰减过快影响超级电容器的性能和缩短其使用寿命。本文以电容器电容的稳定性与降解因素为主要内容展开研究。采用恒电位聚合法在不锈钢电极（SS）上合成得到硫酸（H2SO4）或者对甲基苯磺酸（p-TSA）掺杂的微纳米结构PANI。以PANI修饰的不锈钢电极（SS）为工作电极,饱和甘汞电极（SCE）为参比电极,铂（Pt）电极为对电极,采用三电极体系,用交流阻抗测试和循环伏安法研究了修饰电极的电容行为。考察了PANI掺杂酸种类、PANI膜厚度、循环伏安测试的扫描速度、扫描电位、电解质浓度、电解质种类等因素对电容大小及稳定性的影响。研究结果表明,比电容随着膜厚度的增大先增大后减小,当聚合电量为3.2C/cm2时,得到的比电容最大。比电容随扫描速度的增大先增大后减小,存在一个最佳的扫描速度,H2SO4掺杂体系在50 mV/s时得到的比电容最大。p-TSA掺杂体系在200 mV/s时得到的比电容最大。扫描电位区间显著影响电容器电极的稳定性,过高的扫描电位会造成PANI氧化,比电容迅速衰减。电解质对比电容有重要影响,H2SO4电解质浓度的提高有利于增大比电容,但比电容衰减快;H2SO4介质中加入体积较小的阴离子（例如Br-、ClO4）可以显著提高电容的循环稳定性,但Br-浓度过高会腐蚀不锈钢基体电极,影响电容的稳定性;同浓度的p-TSA、HClO4和H2SO4电解质中,在p-TSA中的稳定性最好,H2SO4中的最差;当p-TSA作电解质时,在所研究的浓度范围内,p-TSA掺杂聚合的PANI/SS的稳定性随着p-TSA浓度的增大而提高。混合电解质中各种酸均参与PANI的掺杂/脱掺杂反应,在混合电解质中的电容稳定性介于参与混合的两种酸之间。总体来说,p-TSA掺杂的PANI比H2SO4掺杂的PANI有更加优越的电容特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 超级电容器概述
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 超级电容器的特点
• 1.1.3 超级电容器的应用
• 1.2 双电层电容器
• 1.2.1 双电层电容器的结构与原理
• 1.2.2 双电层电容器电极材料的研究进展
• 1.3 赝电容器
• 1.3.1 金属氧化物型赝电容
• 1.3.2 导电聚合物型赝电容
• 1.4 超级电容器的电解质
• 1.4.1 液态电解质研究进展
• 1.4.2 固态电解质研究进展
• 1.5 聚苯胺（PANI）研究进展
• 1.5.1 聚苯胺的结构
• 1.5.2 聚苯胺的制备方法
• 1.5.3 聚苯胺基电极材料的研究进展
• 1.6 本课题的研究内容及研究意义
• 第二章 实验原理和方法
• 2.1 实验的主要仪器设备和药品
• 2.1.1 实验的主要仪器设备
• 2.1.2 实验主要药品及其预处理方法
• 2.2 超级电容器的研究路线
• 2.3 超级电容器主要性能参数
• 2.3.1 比电容（Specific Capacitance, SC）
• 2.3.2 能量密度
• 2.3.3 功率密度
• 2.3.4 循环稳定性
• 2.3.5 电流效率
• 2.4 超级电容器性能测试方法
• 2.4.1 循环伏安法
• 2.4.2 交流阻抗测试
• 2.5 本章小节
• 2SO₄掺杂PANI修饰的SS电极电容行为研究'>第三章 H₂SO₄掺杂PANI修饰的SS电极电容行为研究
• 3.1 电极的预处理和PANI/SS电极的制备
• 3.1.1 不锈钢电极的预处理
• 2SO₄掺杂PANI修饰的SS电极的制备'>3.1.2 H₂SO₄掺杂PANI修饰的SS电极的制备
• 3.2 影响PANI/SS电极电容大小及稳定性的因素考察
• 3.2.1 PANI膜厚度的影响
• 3.2.2 扫描速度的影响
• 3.2.3 扫描电位的影响
• 3.2.4 电解质的影响
• 3.3 单位面积沉积电量与单位面积电容的关系
• 3.4 本章小结
• 第四章 p-TSA掺杂PANI修饰的SS电极电容行为的初步探索
• 4.1 电极的预处理和PANI/SS电极的制备
• 4.1.1 电极的预处理
• 4.1.2 p-TSA掺杂PANI修饰SS电极的制备
• 4.2 影响PANI/SS电极电容大小及稳定性的因素
• 2SO₄掺杂PANI与p-TSA掺杂PANI的电容比较'>4.2.1 H₂SO₄掺杂PANI与p-TSA掺杂PANI的电容比较
• 4.2.2 膜厚的影响
• 4.2.3 扫描速度的影响
• 4.2.4 扫描电位的影响
• 4.2.5 电解质的影响
• 4.2.6 经过p-TSA再掺杂的PANI的电容特性
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢