导电高分子修饰电极的电化学性能研究
电化学超级电容器是一种介于蓄电池和传统电容器之间的新型储能器件，它具有比传统电容器更大的比能量、比蓄电池更大的比功率、循环使用寿命长和使用温度范围宽等特点，它在混合电动汽车、移动电话、微机等众多领域内有广泛应用前景。根据储能原理，电化学超级电容器可以分为双电层电容器和法拉第赝电容器，其电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等。电极材料在电化学超级电容器中起着关键性作用。
本论文综述了电化学超级电容器及其电极材料的最新研究进展，并制备了复合电极材料，利用电子扫描电镜(SEM)对电极材料的微观结构和形貌进行了分析，并采用循环伏安法(CV)、恒电流充放电和电化学阻抗谱(EIS)等技术测试其电化学性能。全文主要内容概括如下：
(1)以玻璃碳电极(GC)为基底，首次采用电化学法与化学法相结合成功的制得了聚吡咯/聚苯胺(PPy/PANI)复合电极，用SEM对复合电极材料的结构和形貌进行了表征，结果显示两种导电高分子的尺寸为纳米级，纤维状结构的PANI为100～200nm，PPy为颗粒状，其粒径为～250nm。整个电极呈多孔渗水结构。通过CV分析，复合电极在0.5MPTS+0.5MH2SO4中具有最好的电化学活性，不但具有最为明显的氧化还原峰、而且其CV曲线还关于i=0呈理想的镜像对称，因而具有良好的可逆性，适宜用作电化学超级电容器的电极材料。EIS结果显示，复合电极具有较小的接触电阻(Rs)～8Ω，但其传质电阻(Rct)较大。恒电流充放电结果显示复合电极材料在0.5mA/cm-2的电流密度下比电容高达～591.7F/g-1。
(2)以玻璃碳电极(GC)为基底，用电化学法在硫酸中制得PANI/GC电极。利用SEM对其进行形貌分析，发现PANI为纤维状三维网络结构，尺寸为400～500nm，且纤维状物质表面还沉积着一些微粒结构的PANI。在不同电解液中，通过CV对PANI进行测试，发现在高扫速时，PANI在0.5MPTS中的电化学性能反而比在0.5MH2SO4中的更为优越。且该PANI在0.5MPTS中的比电容为～431.8F/g-1，库伦效率高达95.6％。由EIS可知，在PTS中PANI的接触电阻～2.2Ω，同时具有较小的传质电阻7.877Ω，且时间常数为ms级，能对电化学反应快速做出响应。以上结果说明PANI更适合在0.5MPTS电解液中做超级电容器的电极材料。
(3)以大比表面积的活性炭电极(AC)为基底，采用电化学法在AC上沉积一层PANI制得PANI/AC复合电极。通过SEM可知活性炭的尺寸为～12μm，导电乙炔黑为～80nm，乙炔黑很均匀的分散在活性炭周围。沉积在AC电极上的PANI尺寸为～100nm，呈纤维状三维多孔渗水结构，在纤维状PANI上有许多PANI小颗粒。进一步的电化学CV测试，说明AC电极曲线呈“矩形”，而PANI/AC复合电极的曲线有明显的氧化还原峰，且AC电极的循环稳定性比PANI/AC复合电极要稳定。恒电流充放电技术证实PANI/AC复合电极的比电容为～950F/g-1比在相同电流密度下AC电极的～538F/g-1提高了76％，且它们的库伦效率均高于94％。EIS测试表明复合电极的接触电阻～4Ω，比AC电极的稍小；同时传质电阻都在3.7～7.8Ω范围内变化。综合考虑，证明PANI/AC电极更适合作为超级电容器电极材料使用，但其循环稳定性有待进一步提高。
电容器;电极材料;碳材料;金属氧化物;导电聚合物;电化学性能
中国海洋大学
硕士
材料物理与化学
王玮
2009
中文
TB324;O646.54
77
2009-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）