关键词：
聚苯胺柔性电极
石墨烯
细菌纤维素
超级电容器
诱导掺杂
摘要：
柔性超级电容器作为可穿戴电子设备的储能装置之一,在当今日益增长的可穿戴电子产品市场中具有广阔的应用前景。相较于传统刚性储能装置,柔性超级电容器具有柔韧性高、功率密度高和循环寿命长等优点,能满足可穿戴设备对柔性、快速充放电和使用寿命长的需求。因此,研究同时具有优异电化学性能和力学性能的柔性电极材料具有重要意义。制约柔性电极材料电化学性能和力学性能的首要因素是材料本身的电化学性能和力学性能。多种材料复合,掺杂改性等策略是提高柔性电极综合性能的有效手段。合理的结构设计可以使复合电极各组分充分发挥各自性能,并进一步实现协同效应。在本研究中,采用聚苯胺/石墨烯/细菌纤维素三元复合材料作为柔性超级电容器的电极材料,通过结构设计、掺杂改性的策略,实现了聚苯胺柔性电极在大角度弯曲状态下,仍能保持稳定电化学性能。
聚苯胺（PANI）作为一种导电聚合物,具有优异的电化学性能,但其力学性能差、导电性能有限。为解决这些问题,将聚苯胺与具有优异力学性能的细菌纤维素（BC）和具有优异导电性能的石墨烯（GN）进行复合。通过化学氧化还原、结合真空抽滤,制备了PANI/GN/BC、PANI@GN/BC和PANI@BC/GN三种结构的聚苯胺/石墨烯/细菌纤维素三元复合电极。其中,通过模板法将苯胺在细菌纤维素表面原位聚合后引入石墨烯制备的PANI@BC/GN性能最优。电极比表面积达到39.3 m2·g-1,电导率达到32.05 S·cm-1,承受最大应力超过5.5MPa,应变超过12%,在2 mA·cm-2电流密度下的面积比电容为3.62 F·cm-2。为了进一步提高复合电极的性能,通过分多次加入氧化剂,降低反应体系中氧化剂的浓度,有效降低了苯胺单体的聚合速度,对PANI@BC/GN进行了结构优化。优化后的PANI-JG@BC/GN表面润湿性、导电性能更好,接触角从24.8°降低到20.1°,电导率从32.05 S·cm-1提高到37.04 S·cm-1,在2 mA·cm-2电流密度下,面积比电容提高了26.7%至4.41 F·cm-2,在10 mA·cm-2电流密度下,2000次循环后,电容保持率为88.56%。
在制备PANI-JG@BC/GN的基础上,引入了1,5-萘二磺酸,对聚苯胺进行了基于酸碱相互作用的掺杂诱导,抑制了聚苯胺链聚合引起的随机缠结,进一步优化了聚苯胺的结构,制备了PANI-NDSA@BC/GN。比表面积提高至44.0m2·g-1,在2 mA·cm-2电流密度下,面积比电容提高至5.64 F·cm-2,以PANI-NDSA@BC/GN电极组装的对称型电容器具有良好的倍率性能,当电流密度从2 mA·cm-2增加到20 mA·cm-2时,面积比电容从4.47 F·cm-2略微降低到3.58F·cm-2,即电流密度提高10倍,比容量仅衰减19.9%。以PANI-NDSA@BC/GN为正负极、PVA/H2SO4凝胶为电解质,组装的准固态柔性超级电容器,可实现大角度弯曲。在2 mA·cm-2电流密度下的面积比电容为2.12 F·cm-2。在10m A·cm-2电流密度下,进行2000次循环后,其电容仍然保持93.05%的初始值,显示出较好的循环稳定性。准固态柔性超级电容器相比水系超级电容器具有更好的安全性和使用便利性。
实验结果表明,本研究制备了聚苯胺/石墨烯/细菌纤维素三元复合电极,并通过降低聚合速度和1,5-萘二磺酸诱导调控,实现了电极性能的提高,最后组装了准固态柔性超级电容器。这些研究结果为柔性超级电容器在可穿戴电子设备中的应用提供了有力支持,并为进一步提高柔性电极材料性能提供了有益启示。
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