导电聚苯胺在超级电容器中的应用研究
超级电容器是一种性能介于传统电容器和化学电池之间的新型储能元件。超级电容器的性能主要决定于电极材料，其中主要包括碳材料、金属氧化物和导电聚合物等。而在导电聚合物的家族中聚苯胺(PANI)以自身独特的性能而备受青睐。本论文制备了纯聚苯胺薄膜电极及聚苯胺基复合电极，重点研究了在不同电解液中的电容特性。文中利用扫描电镜(SEM)，X射线衍射(XRD)及X射线能谱(EDS)对电极材料的形貌，微观结构及元素进行了表征，并采用循环伏安法(CV)、恒电位阶跃，恒电流充放电和电化学阻抗谱(EIS)及电路图模拟等技术测试全面分析了其电容性能。全文主要内容概括如下：
(1)纯聚苯胺(PANI)薄膜电极的制备及其电化学性能研究
以玻璃碳电极(GC)为基底，在水体系下通过循环伏安法制得PANI/GC电极。通过SEM表征发现GC基底电极上的PANI膜成100nm左右的纳米棒状，并成三维网络结构。在CV测试下发现，在低扫速下(1-5mV/s)PANI/GC电极在硫酸(H2SO4)电解液中的比电容要比在对甲基苯磺酸(p-TSA)电解液中的要高；随着扫速的增加，PANI/GC电极在p-TSA电解液中的比电容却高出了在硫酸中的比电容，尤其是在100mV/s下表现的尤为明显。通过恒电位阶跃，循环伏安及其电化学阻抗分析得出：造成PANI/GC电极在此两种电解质中赝电容性能差异的根本原因是电解液中对离子在PANI膜中存在着不同的动力学行为。根据研究结果可以预测聚苯胺作为一种超级电容器材料更适合在p-TSA电解质中进行大电流充放电。
(2)PANI/MnO2复合电极的制备及其电容性能研究
以不锈钢网为基底，在水体系下通过电化学方法一步合成PANI/MnO2复合薄膜，实现了有机高分子与无机金属氧化物的复合，并在无机水溶液和有机无水溶液中测试了此电极的电容性能。XRD表征发现聚合上的MnO2颗粒成无定形，SEM测试显示PANI/MnO2复合膜成纳米纤维网络结构，直径为100nm左右。通过CV和恒电流充放电测试发现，其在pH=2.5的硫酸钠水溶液中有着较高的比电容（715F/g）但循环性能不够理想；在无水有机电解液（1M LiClO4/AN）中其比电容为512F/g，并且在2.0 mA/cm2电流密度，1.2V的电位窗口下循环600周期仍能保持首次比电容的72％。据调查发现这是第一次将PANI/MnO2复合材料应用在有机电解液中进行测试。这些结果暗示着PANI/MnO2复合薄膜是可以应用在有机电解液当中的。
(3)PANI/MnO2/AC复合电极的制备及其电容性能研究
先以高比表面的活性炭在不锈钢网上制备成活性炭基底电极(AC)，在水体系中循环伏安共沉积PANI/MnO2混合膜，得到PANI/MnO2/AC复合电极，实现了碳材料，金属氧化物，有机高分子三大超级电容器电极材料的复合。结合SEM与EDS分析发现MnO2以颗粒状同步沉积在PANI纤维上，纤维直径为100-150nm，并相互交错成三维网络结构；XRD表征发现聚合上的MnO2颗粒成无定形状。在1mol/L的LiClO4/AN电解液测试发现此复合电极在比较高的应用电位窗口下有着非常好的循环性能，表现出的比容量为408F/g，在4.0 mA/cm2的电流密度下循环1500次仍能保持首次比电容的82％，库仑效率达95％。另外，活性炭电极上的PANI/MnO2薄膜产生的比容达1292F/g。在本文中，我们以PANI/MnO2/AC为正极，纯AC为负极组装成超级电容器，在[0，2.0V]的电位窗口下表现出61Wh/Kg的高能量密度和172W/Kg的高功率密度。这些结果说明对应用在超级电容器中的PANI/MnO2复合材料来讲，应用无水有机电解液是合适且有前途的。
中国海洋大学
硕士
物料物理与化学
王玮
2010
中文
TM243;O646.54
2011-06-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）