摘要
随着储能技术的不断进步，越来越多的新兴储能器件进入人们的视野并得以广泛应用。其中，超级电容器因为其较高能量密度及高功率密度，弥补了电池以及传统静电型电容器的短处，是一种极具发展前景的新型储能器件。在所有确定超级电容器性能的因素中，电极活性材料无疑起着至关重要的作用。近年来，柔性便携式可穿戴电子设备越来越受到人们的关注，也对其供能设备提出了新的要求——柔性。目前，大部分的高性能超级电容器电极材料不具有柔性，而具有柔性的电极材料储能性能又较差。所以，发展一种既具有高超级电容性能，又具有柔性抗形变能力的电极材料是一个迫切需要解决的难题。 在所有的电极活性材料中，导电高分子因其具有赝电容特性，具有相对较高的理论比电容，与此同时，作为高分子材料，导电高分子具有别的电极材料所不具备的柔性。除此之外，导电高分子因其成本低，合成方法多样简单，电导率较高等优点，一直是超级电容器电极材料的研究重点。但是，导电高分子作为电极材料也有它们的不足之处。比如，其电导率还是无法与许多碳材料相比，降低了倍率性能，增加了最终器件的内阻；其循环稳定性较差，在充放电的过程中电容性能会迅速衰减。因此，与高电导率、高稳定性的材料相符合，相互取长补短，是一个重要的研究课题。本文结合超级电容器电极材料研究现状及所存在的问题，优化材料显微结构与制备工艺，制备了兼具高电化学性能和出众柔性的超级电容器电极材料及器件。 首先，采用简单的低温界面聚合的方法，在碳纳米管纸（CNTP）基底上聚合了聚吡咯（PPy），制备了超高性能柔性自支撑PPy/CNTP复合电极。因为各组分之间的良好的结合及协同效应，最优的260-PPy/CNTP电极不仅展现出了极佳的面积比容量（8604.5mF·cm?2，电流密度为1mA·cm?2），同时具有出色的柔性以抵抗形变、超声等外力。值得指出的是，超声处理能够使得PPy在CNTs表面重新排列，进而提升其电化学性能，表明适当的超声处理是提升电极电化学性能的有效手段之一。与此同时，260-PPy/CNTP电极在循环稳定性测试中，前2500圈比容量不断提升，随后缓慢下降，在12000圈后保持比容量为初始值的107%，体现出杰出的电化学稳定性。此外，组装的260-PPy/CNTP电极全固态器对称型超级电容器拥有杰出的能量密度（194.23μWh·cm?2），此时的功率密度为0.40mW·cm?2；当功率密度高达7.99mW·cm?2时，能量密度为70.13μWh·cm?2。 其次，通过真空辅助抽滤的方法制备得碳化钛（Ti3C2Tx）薄膜，并在该薄膜上电化学沉积PPy，得到柔性自支撑的PPy/Ti3C2Tx复合电极。复合电极中，PPy不仅存在于Ti3C2Tx薄膜的两侧表面，也插层进入了Ti3C2Tx层间，PPy与Ti3C2Tx通过氢键建立强有力的连接，在Ti3C2Tx片层表面的PPy分子链排列较为整齐，电导率较高。因为两相之间的协同效应，最优化的400PPy175/Ti3C2Tx电极在1M的H2SO4中具有相对较优的比容量（420.2F·g?1，测试电流密度为1A·g?1）。此外，400PPy175/Ti3C2Tx复合电极在绕直径为4mm的圆棒弯曲1000次后电化学性能仍然稳定，并有高达48.2MPa的拉伸强度，远高于纯Ti3C2Tx薄膜的9.9MPa。并且，在10000次充放电循环后，该电极的比容量保留为初始值的86.5%，体现出极佳的循环稳定性。将两片400PPy175/Ti3C2Tx复合电极组装成对称型全固态超级电容器，该超级电容器具有较优的电化学性能。此外，不管是单个电容器器件，还是串联四个超级电容器得到的串联器件，都表现出了极佳的柔性。综上所述，由此方法得到的PPy/Ti3C2Tx复合电极是柔性超级电容器电极材料的优异选择之一。
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