取向碳纳米管纤维及其能源应用.pptx

取向碳纳米管纤维及其能源应用;取向碳纳米管纤维及其能源应用;2 线状超级电容器 尽管湿法制得的取向碳纳米管纤维电学性能优异，但是由于其致密的内部结构，不利于电解液的渗入，降低了其在线状超级电容器中的应用。相较于湿法纺丝，干法纺丝制备的取向碳纳米管纤维因比表面积大，且电解液能够充分进入纤维表层碳纳米管之间，非常适用于制备线状超级电容器。 Baughman等首次将取向碳纳米管纤维相互缠绕制备的基于PVA-H3PO4电解液的超级电容器的比容量和能量密度分别为5F·g-1和0. 6 W·h·kg-1??首次实现了将线状电容器编入织物中，自此，干法纺丝制备的取向碳纳米管纤维被越来越多地应用于超级电容器中。Zheng等通过在纤维表面的碳纳米管上引入羧基，使得电容器在H2SO4电解液中的比容量从纯碳管的2. 6 F·g-1提升至95 F·g-1。通过在取向碳纳米管纤维中复合电化学活性物质，也可以大幅提高比容量。通过在纤维制备过程中加入介孔碳，得到取向碳纳米管/介孔碳复合纤维，以复合纤维为两极互相缠绕制备线状超级电容器比容量达到39. 7 mF·cm-2 (1.91mF·cm-1) ，能量密度1.77×10-6W·h·cm-2(8. 50 × 10-8W·h·cm-1)。然而，引入介孔碳会造成复合纤维的力学性能下降。为了弥补这一不足，研究人员以双向卷曲法制得取向碳纳米管/氧化石墨烯复合纤维，在平板上铺排两层取向碳纳米管膜，滴加氧化石墨烯溶液，再将膜卷起，制得复合纤维。该方法制备的复合纤维中，氧化石墨烯片层均匀分布在取向碳纳米管纤维的内部和表面。将两根上述复合纤维涂覆PVA /H3PO4凝胶电解液后缠绕起来制成的电容器，在电流密度0.04A·g-1下测得的比容为31.50F·g-1或4.97mF·cm-2或0.027mF·cm-1，相较于纯碳纳米管纤维电池的比容有大幅度的提高。且这些线状电容器在5000个充放电循环内都表现出很高的循环稳定性。 通常情况下，线状超级电容器都是由两根纤维状电极互相缠绕制备而成的，器件在使用过程中可能被反复弯曲，造成两根电极间的分离，使得电容器性能降低为了解决上述问题，研究人员开发了具有同轴结构的线状超级电容器。该器件以取向碳纳米管纤维和取向碳纳米管膜分别作为电容器两极，使电极形成三明治结构，即内层碳纳米管纤维，外层缠绕碳纳米管膜，电解液夹在两极之间。与广泛使用的缠绕结构相比，同轴结构电容器的界面更稳定，两极与电解液的接触面积更大，从而降低了界面电阻，使这种电容器的最大比容达到了59 F·g-1，相比纯碳纳米管纤维缠绕结构的4. 5 F·g-1有了大幅提高。 ;为了进一步提高纤维电极的电化学活性，研究人员尝试了优化取向碳纳米管纤维的结构。Kim等通过一种改进的双向卷曲技术来制备纤维电极，将数百层导电高分子浸润的取向碳纳米管膜卷成一根直径约20μm的复合纤维，再与一根金属纤维缠绕，金属纤维作为集流体有助于提高功率输出密度。以这种复合纤维制备的电容器达到了179 F·cm-3的高体积比容，放电电流随着电压扫描速率的增加而其线性范围增大，在液态电解质和固态电解质中可分别达到~80 V·s-1和~ 20 V·s-1。同样的，这种线状超级电容器同时具有高柔性和稳定性。 ? 在实际使用过程中，线状电容器被编制成柔性电子织物，在弯曲或拉伸过程中可能产生变形乃至断裂，这极大地限制了线状超级电容器的应用。最近，科研人员利用具有弹性的取向碳纳米管纤维制备了可拉伸线状超级电容器。取向碳纳米管膜被螺旋缠绕于弹性聚合物纤维外，该弹性导电纤维具有高的柔性拉伸强度、电导率和力学、热学稳定性。线状电容器经过100次被拉伸至175 %后，仍保持了~18F·g-1的高比容。图3给出了这种电容器的制备过程和其性能。