论文部分内容阅读
便携式以及可穿戴设备的发展和普及对能量供应装置提出了更高的要求。与电池相比,超级电容器因其功率密度高、循环性能好的特点受到了科研工作者广泛地关注和研究。而从实际应用的角度出发,作为可穿戴器件的供能元件,柔性超级电容器因其柔性及可折叠等特点成为了科研工作者研究的重点之一。二维材料Ti3C2Tx因其在储能领域巨大的应用潜力而被广泛地用作柔性超级电容器的电极材料。但是,在用作柔性超级电容器电极材料时,二维Ti3C2Tx纳米片固有的堆叠缺陷导致其活性位点的利用率下降,并且片层之间的作用力较弱导致其缺乏必要的力学性能,故难以满足实际应用,从而制约了Ti3C2Tx在生产生活中的进一步发展。针对Ti3C2Tx材料的以上缺陷,本论文利用生物质材料（纳米纤维素、单宁酸、木质素磺酸钠）与其进行复合得到最后的Ti3C2Tx/生物质复合薄膜。得益于这几种生物质分子丰富的氢键活性位点,Ti3C2Tx材料表面的O或者OH基团可与之产生氢键相互作用结合,最后所得复合薄膜的力学性能提升明显。此外,生物质可以插入Ti3C2Tx纳米片的层间,一方面阻止其堆叠,另一方面可以扩大层间距、暴露更多的活性位点而提升电容。而利用电活性生物质单宁酸和木质素磺酸钠则可以提供额外的电容。最终复合材料的力学性能和电化学性能相对于纯Ti3C2Tx材料有了明显的提升。具体研究内容如下:1.本论文首先利用抽滤的方法制备出一种Ti3C2Tx/纤维素/单宁酸（Ti3C2Tx/CNF/TA）复合薄膜用于柔性全固态超级电容器的电极材料。最终所得Ti3C2Tx/CNF/TA2.5复合薄膜电极的质量比电容为240 F g-1,与Ti3C2Tx薄膜相比提升了约20%,这是纤维素和单宁酸的插入对层间距的扩充以及单宁酸提供赝电容共同作用的结果。此外,在0.5到20 A g-1的电流密度下,Ti3C2Tx/CNF/TA2.5复合薄膜电极的倍率性能与Ti3C2Tx薄膜相比同比提升了约12%。而且,该复合薄膜的力学性能提升明显,与Ti3C2Tx薄膜12.5 MPa的拉伸性能相比,力学强度提升了约62.5%。以此材料为电极组装而成的柔性全固态超级电容器的体积电容达到了724.8 F cm-3,并且能量密度达到14.2 Wh L-1的同时具有566.4 W L-1的高功率密度,最大功率密度更是达到了22677.8 W L-1。由于电极材料具有良好的力学性能,由其所组装而成的器件在不同的弯折角度下无任何损坏,其电化学电容无任何损失,展示出该类复合材料在能量储存领域的巨大应用潜力。2.本论文成功地制备了Ti3C2Tx/水热的纳米纤维素@木质素磺酸钠（简写为Ti3C2Tx/HCNF@Lig）仿贝壳结构的复合薄膜。该复合薄膜由Ti3C2Tx和通过水热法制备的纤维素纳米纤维（HCNF）@木质磺酸钠（Lig）复合纤维分散液混合抽滤而得。仿木材结构的电活性HCNF@Lig复合膜的力学拉伸强度可提高至132.8MPa。通过水热处理CNF得到的自增强HCNF构成的HCNF膜拉伸强度可达114MPa。仿贝壳结构的Ti3C2Tx/HCNF@Lig（3@1）类复合薄膜具有高电导率(可达1.75×105 S m-1)和高拉伸强度（可达256 MPa）。由Ti3C2Tx/HCNF@Lig（3@1）97/3复合薄膜组装的柔性固态超级电容器电极具有优良的体积比电容(748.96 F cm-3),相应的可任意变形的柔性超级电容器具有16.2 Wh L-1的能量密度和优异的电化学循环稳定性。制备的自增强的HCNF薄膜和仿木材结构的HCNF@Lig复合膜和仿生贝壳状Ti3C2Tx/HCNF@Lig复合膜具有导电性可控、力学性能好、电化学性能优良等特点,有望在柔性/可穿戴储能器件及其他领域中得到实际应用。