基于聚苯并咪唑电解质的全固态超级电容器的制备与性能研究

来源 :长春工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hongshouwang123
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超级电容器是一种重要的能量储存设备,因具有功率密度高、快速充放电能力以及优异的循环性等显著优点,已经广泛用于汽车、军用武器、仪器通信等领域。电解质是超级电容器的核心部件,可以分为液态和固态。固态电解质因其制备过程简单和较高的安全性,已得到广泛应用。固态电解质在超级电容器中可充当隔膜和导电介质,其性能会影响超级电容器的工作电压和长期稳定性等。尤其是,超级电容器在实际使用过程中,通常会遇到高温、强酸/碱等苛刻条件。因此,电解质材料应具有耐高温和耐腐蚀等性能。聚苯并咪唑因其具有良好的离子传导率、较高的热稳定性和机械强度等特性,不仅可以用作质子交换膜和阴离子交换膜材料,还有望作为超级电容器的电解质。在本文中,我们制备了多孔聚苯并咪唑(pPBI-IL-x%)电解质,x代表所引入的功能化离子液体的含量。多孔结构使膜材料能够吸附更多的磷酸,同时其功能基团在酸性条件下水解生成Si-O-Si交联网络,保证膜材料具有较好的热稳定性和机械强度。在170°C下,pPBI-IL-15%复合膜离子传导率最高可达0.103S cm-1,并且在120°C下,基于pPBI-IL-15%复合膜的超级电容器,比电容最高可达到85.50 F g-1,在10000次恒流充放电测试后,电容保持率仍为91.00%。鉴于上述PBI类膜材料在全固态超级电容器中表现出较为优异的性能,但是磷酸掺杂会严重破坏膜材料的力学强度。考虑到聚苯并咪唑中的咪唑环具有两性属性,也可以将其进行碱掺杂得到阴离子交换膜。为了进一步研究阴离子交换膜在超级电容器中的应用,我们首先制备了羟基聚苯并咪唑(PBIOH),并将含季铵基团的离子液体引入体系中,经化学交联和掺杂碱得到交联膜(PBIOH-IL-X)。离子液体的引入可以提高膜材料的离子传导率和耐碱稳定性。在90°C下,PBIOH-IL-20膜最高的离子传导率为0.078 S cm-1,是其室温下的近7倍。用PBIOH-IL-20膜作为电解质的器件ASCs-20在6000次恒流充放电测试后,电容保持率达87.00%,库仑效率为92.30%,最高的功率密度可达到为82.32 kW kg-1
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