摘要
随着移动互联网时代的到来，便携式电子设备作为最重要的信息处理设备之一，已经成为人们生活中不可缺少的一部分。电源部分作为可穿戴设备的关键部件，相应的研究已经成为研究热点之一。然而传统的电容器和电池等电源都是刚性结构，很难集成到柔性设备中，无法满足柔性器件的需求。近年来随着便携式可穿戴电子设备盛行，迫切需要发展具有高功率密度、循环寿命长、安全性强的轻量型柔性超级电容器。本文通过碳化法成功制备了整体柔性碳电极，提供化学氧化聚合的方式制备了聚苯胺与木材，聚苯胺、碳纳米管与木材复合电极材料。并研究了复合电极材料的电化学性能。本文主要研究结论如下: 1)通过将木材切薄、碳化，以获得柔性碳化木材(FWC),从而使得碳材料能够应用于便携式柔性器件并通过对其进行受力测试探究其弯曲原理。得到的柔性碳化木材电极具有很高的比电容和容量保持率以及弯曲稳定性。使用两个柔性碳化木材作为电极，组装全固态对称超级电容器。超级电容器的高能量密度为7.153Whkg-1,功率密度为143.06Wkg-1。经过20,000次充放电循环后，电容保持率达到98.45％,经过1000次的弯曲，其CV曲线与初始状态几乎重合，具有很高的结构稳定性和弯曲稳定性。 2)采用简单的化学氧化聚合法成功制备了柔性木材/聚苯胺复合材料，电镜分析表明，通过调节苯胺单体添加量得到了具有不同负载量和堆积程度的柔性木材/聚苯胺复合电极。研究表明，当苯胺添加的量为5mmol时，该复合材料具有最优电化学性能。该复合电极表现出优越的电化学性能，电流密度为0.2Ag-1时，具有较大比容量70.49Fg-1,即使该电极在电流密度1.0Ag-1下充放电循环2000次，比容量保持率为65.77％。 3)以木材薄片为衬底，与碳纳米管(CNT)和聚苯胺(PANI)相结合，制备超级电容器柔性电极。将池杉沿生长方向切片得到木材切片(WS),它含有三层管胞,上下两层管胞用于装载活性物质，中间的管胞除起支撑作用外，还允许离子液体进入，有利于离子/电子的快速传导。柔性基体最大程度地保留了原有的空心沟槽。此外，碳纳米管具有较高的机械强度和导电性。碳纳米管的引入除了提高了WS的导电性外，还提高了WS的机械强度。在制备的PANI/CNT@WS样品中,通过原位聚合法在柔性基体上复合了PANI,引入CNT薄膜的促使PANI颗粒均匀而牢固地附着在柔性木材基体上。复合电极PANI/CNT@WS在0.2Ag-1时的比容量为152.81Fg-1。其循环7000次以后，仍能保持原始容量的83.22％。以PANI/CNT@WS为阳极和阴极组装的全固态柔性超级电容器在0.2Ag-1时比电容高达45.89Fg-1，在弯曲120°后仍能保持初始容量的62.9％,非弯曲状态下充放电1000次后电容仍能保持98.98％。相比于单一聚苯胺电极材料(1000次后65.77％),循环性能有所提升。 本文制备了基于木材柔性基体的聚苯胺与碳纳米管复合电极，与碳化后柔性木材碳电极，以及负载单一的聚苯胺木材复合电极相比，本文设计的新型基于木材柔性基体的电极(PANI/CNT@WS)具有高性能、低成本、制备工序简单等优点，实现了活性材料与集流体的直接结合，增强了活性材料的稳定性。该电极的设计为生物质基柔性电极材料在储能领域的应用提供了新思路。
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