基于聚乙烯醇的柔性电极在超级电容器中的应用研究.pdf

摘要

摘要

近年来，高性能储能器件在先进可穿戴电子产品中的发展受到人们

越来越多的关注。柔性超级电容器因其功率密度高、循环寿命长、充放电速

度快和优异的机械性能，弥合了传统超级电容器与可穿戴应用之间的差距，

作为一种新兴的储能设备得到了广泛的探索。制备具有优异机械性能的电

极材料是提高柔性超级电容器性能的关键。本论文的目标是开发适用于柔

性超级电容器兼具高电化学性能与优异拉伸性能的电极材料。选取聚乙

烯醇（PVA）作为柔性基底，引入还原氧化石墨烯（RGO）作为碳基底，

以导电聚合物（CPs）作为活性材料，通过冻融法和原位聚合的简单策

略构建具有三维多孔网络结构的PVA基柔性电极。三维多孔网络结构

能够阻碍CPs结构的变形，避免RGO的严重堆积，且在PVA网络中各

组分之间能够化学交联形成氢键。将制备的基于PVA的柔性电极材料

与PVA/HSO凝胶电解质组装了三种对称全固态超级电容器，并对电化学性能

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进行了测试。主要研究内容如下：

（1）将PVA溶解在均匀分散的RGO溶液，通过冻融法制备

PVA/RGO水凝胶。然后将聚吡咯（PPy）原位聚合，得到具有三维多孔

结构的PVA/RGO/PPy-0.5水凝胶电极。PPy、RGO及PVA链之间通过氢

键相互连接，且物理交联的PVA链与PPy之间存在协同作用，使PPy

和RGO均匀的分散在三维的PVA基质中，构成了良好的导电网络。由

于PPy与RGO、PVA之间的氢键作用，PVA/RGO/PPy-0.5水凝胶电极具有483.3

mF/cm2的良好电容性能、优异的柔韧性和1.54S/m的高导电率，以及超亲水性

（接触角仅为7°）。以PVA/RGO/PPy-0.5为电极，PVA/HSO为凝胶电解质，通

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过层层凝胶化的策略制备的一体式全水凝胶固态超级电容器具有高能量密度

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（44.6µWh/cm）和94.8%的优异循环稳定性，且弯曲变形对该全固态超级电容

器电化学性能的影响几乎可以忽略，显示出较好的机械稳定性。

（2）以RGO为碳基底，加入镍铁层状双氢氧化物（NiFe-LDH），通过冻融

法制备具有三维多孔网络结构的PVA/RGO/NiFe-LDH水凝胶。RGO与NiFe-

LDH相互结合，能缓冲NiFe-LDH的结构坍塌和堆积。NiFe-LDH提供

氧化还原活性，使电极材料的电化学性能显著提高。然后，PPy原位聚合

到PVA/RGO/NiFe-LDH中，成功制备了PVA/RGO/NiFe-LDH0.40/PPy水凝胶电

2

极，PPy同时提供了一定的赝电容。故PVA/RGO/NiFe-LDH0.40/PPy在1mA/cm

2

下表现出1280mF/cm的高面积比电容。由于三维多孔网络结构和氢键作用的影

响，PVA/RGO/NiFe-LDH0.40/PPy的断裂伸长率高达749%。以PVA/RGO/NiFe-

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摘要

LDH/PPy为电极，PVA/HSO为凝胶电解质组装的全固态柔性超级电容器在

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0.6mW/cm的功率密度下的能量密度为51.1µWh/cm，经过10000