基于碳纳米管纤维的非对称超级电容器构建与充放电行为研究

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本文以碳纳米管(SWCNTs)为原料,生物大分子材料透明质酸(HA)为生物表面活性剂,基于HA的分散效应与基体结合效应,制备出形状均匀、长度可控、具有优异力、电与电化学外场响应特性的HA/SWCNT多功能复合纤维,揭示了HA增强HA/SWCNT复合纤维的电化学响应特性机制以及电化学耦合驱动机理。以HA/SWCNT复合纤维为基底材料,聚苯胺(PANI)为增强材料,采用电化学沉积法制备了具有独特核壳结构的HA/SWCNT/PANI复合纤维柔性电极材料,并对其形貌、结构、柔韧性以及电化学性能进行研究。研究表明,由于SWCNTs和苯环之间π-π键作用以及苯胺中氨基与HA羧基的氢键作用,提高了沉积在HA/SWCNT复合纤维电极上PANI的稳定性。电化学沉积PANI后,比电容提高570%,HA/SWCNT/PANI纤维具有良好的导电性、倍率特性以及电容稳定性,经过3000次循环充放电后电容保持率仍可达88.27%。同时,HA/SWCNT/PANI复合纤维具有柔韧性高、可编织性强以及电化学稳定性好的特点,经过100次循环弯折试验后,电容保持率达到86%以上,在编织后复合纤维表面的PANI壳层结构完整。 采用HA/SWCNT/PANI复合纤维作正极材料,碳纳米管薄膜(CMC/Buckypaper)作负极材料,H2SO4/PVA凝胶作凝胶电解质,构建了纤维型非对称结构的超级电容器。所构建的超级电容器的稳定工作电压窗口从1V提高到了2V,其能量密度和功率密度分别为1.09 mW/cm2和12.55 μwh/cm2