摘要
超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，具有功率密度大、比电容高、优异的倍率性能和循环寿命等优点，在新能源汽车、智能电网、电子工业、航空航天等领域有着广泛的应用前景。而作为超级电容器的电极材料包含作为双电层电容的碳材料和赝电容的金属氧化物和导电高分子。构建双电层电容和赝电容的复合电容器可以聚集两者的优点，既可以提高了比容量，又保证了倍率性能和循环寿命。为进一步探索研究复合电容器的结构和性能，本课题选用高导电的石墨烯碳材料和廉价且制备简单的聚苯胺导电高分子作为复合电极材料组分，基于石墨烯三维结构及掺杂改性设计，构建原位聚合和电化学氧化制备聚苯胺体系等方面进行了一系列的设计合成及电化学性能研究。本论文主要研究内容如下: (1)以石墨烯，单壁碳纳米管，聚苯胺为复合组分，通过交联，还原和原位聚合制备了含有碳材料-单壁碳纳米管(SWCNTs)和赝电容材料-聚苯胺(PANI)的石墨烯基复合凝胶体系。石墨烯/单壁碳纳米管/聚苯胺复合电极的比电容在电流密度为0.5A/g时为145.4F/g，与初始石墨烯相比提高了45％。在电流密度为10A/g时进行1000次充放电循环并保持了98.8％的初始容量保持率。 (2)通过采用水热一步法以氮硫共掺杂石墨烯的方式改性石墨烯，在此基础上通过原位聚合苯胺单体，制备了氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺电极材料。电化学测试表明，在0.5A/g电流密度下通过氮掺杂，其比电容比石墨烯电极提高了20％，而经氮硫共掺杂，其比电容相对于石墨烯电极提高了53％。通过原位聚合得到的氮硫共掺杂石墨烯/聚苯胺复合材料进一步提高了其电化学性能。在0.5A/g电流密度下，比电容达236.5F/g。在电流密度为10A/g时进行1000次充放电循环，其电容保持率仍达95.1％。 (3)通过真空辅助技术抽滤成膜和热处理，制备了氧化锌纳米片/石墨烯复合导电薄膜。由于其含有高导电的石墨烯和金属氧化物的赝电容特性，可用作超级电容器薄膜电极材料。低含量的氧化锌并不能提高复合电极的比电容，当氧化锌含量达到30％，其比电容比纯rGO高出近50％，且是氧化锌纳米片的两倍多。进一步，采用酸刻蚀牺牲模板法，除去氧化锌，构筑了石墨烯/聚苯胺复合膜电极，随着氧化锌模板含量的增加，其比面积电容随之增加。在1mA/cm2电流面积密度下的比面积容量最高达1606.2mF/cm2。 (4)通过采用双氧水进行刻蚀引入石墨烯孔隙制备了多孔石墨烯膜。在此基础上通过电化学聚合苯胺单体，快速制备多孔石墨烯/聚苯胺复合电极膜。多孔石墨烯/聚苯胺复合电极膜具有聚苯胺纤维-石墨烯-聚苯胺纤维三明治夹层结构。考察了电解液聚合单体浓度和交联剂的掺杂对复合电极的影响。结果表明，电解液聚合单体浓度的增加有助于提高复合膜比电容。在0.5M苯胺浓度下，10mV/s扫描电压速率下，复合膜电极的比电容为257F/g。植酸交联剂的掺杂有助于提高复合膜体系在充放电中的的稳定性。 (5)制备了一种三维的球形聚苯胺导电高分子作为石墨烯片层的填充物，以简单的溶液混合一步法构筑了聚苯胺/石墨烯复合膜。同时聚苯胺作为赝电容材料来增强石墨烯的电化学性能，聚苯胺质量添加量为50％时的复合电极在5mV/s的扫描速率下比电容是207.1F/g，比原石墨烯提高将近1倍。
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