基于聚乙烯醇的自修复不对称电容器的制备及性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:baliver110
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不对称电容器是电化学储能设备的一种,它同时拥有电化学双电层电容和法拉第赝电容的特征,具有比传统超级电容器更高的能量密度、比电池更高的功率密度和循环稳定性,但它们在受到物理损坏或变形的情况下将失去其储能功能,甚至引起安全问题。本文报道了一种可以承受严重机械损伤的自修复不对称电容器,提供了一种设计智能非对称电容器的策略,具有出色的可靠性、安全性和易维护性的,在可穿戴/柔性电子产品、智能服装或柔性机器人等领域具有潜在的应用价值。本文以铁氰化镍(KNiFe(CN)6)为正极、活性炭为(AC)为负极首先组装水系KNiFe(CN)6//AC不对称电容器,电解质为1 mol·L-11 KNO3溶液。与AC对称电容器相比,该电容器的工作电压范围被拓宽为0-1.5V;KNiFe(CN)6、AC单电极的比容量分别为337.4 F·g-1、105.3 F·g-1,组装为电容器后质量配比为3.2:1(正极:负极);电容器倍率性能出色,5 A·g-1的比容量(137.7 F·g-1)与0.5 A·g-1的比容量(160.2 F·g-1)相比保持率高达91.4%;该电容器在电流密度为2 A·g-1下比容量为145.5 F/g,并且循环2000圈能保持95.9%,表现出优越的循环性能。以水系KNiFe(CN)6//AC的研究内容为基础,本文进一步构建基于动态硼酯键的KNiFe(CN)6//AC自修复不对称电容器,该电容器在30 min时力学性能就已经基本修复到初始状态,并且能承受至少5次切开/修复操作。修复后,电解质、电极的微观形貌、力学性能和电导率均能基本恢复到初始状态,电容器的力学性能、电化学性能也可以基本修复。电流密度为0.5、1、2、3、4、5 A·g-1时,电容器初始状态下的容量分别为158.8 F·g-1、150.7 F·g-1、142.7 F·g-1、136 F·g-1、130.7F·g-1、126 F·g-1,5次修复后容量只出现了轻微的下降(最高为5 A·g-1时下降了4.21%)。在电流密度为2 A·g-1下,电容器首次放电容量高达142.7 F·g-1,在循环1500圈后能保持90.3%,5次修复后的电容器容量保持率能达到87.9%。总之,本文通过将电化学活性组分整合到通过硼酸酯键交联的PVA基网络中来制造可自修复的不对称电容器。由于网络的动态特性,电容器能够自主恢复所有损坏的组件,从而恢复配置完整性,机械和电容特性。在没有任何外部刺激的情况下,自修复过程在室温环境中可重复至少5次。更有趣的是,愈合电容器还表现出高比电容、优异的倍率性能和良好的循环稳定性。
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