制备高张力多孔PVA/PANI复合物及固态电容应用

制备高张力多孔PVA/PANI复合物及固态电容应用

发表日期：2017.7.29（IF=9.79）

Author：Ruofei Hu, Junping Zheng*

单位：复合功能材料天津重点实验室，天津大学

Highlight

1、制备了一种高应变可拉伸多孔PVA/PANI复合材料

2、全固态超级电容器具有优越的电化学性能

3、三维多孔结构可以缓解应变对活性材料的影响

4、该策略为制备柔性器件提供了一种可靠的方法

摘要

受可穿戴设备和便携式设备快速发展的影响，对柔性和高比容量的需求突出了开发柔性储能设备的迫切需要。本文制备了具有良好力学性能(应变变形达696%)的多孔聚乙烯醇/聚苯胺复合材料。由于其三维(3D)多孔结构，当复合物被弯曲或拉伸的时候，可以避免PANI发生变形。多孔PVA/PANI复合材料的电化学性能可以保持，因此它有望成为可拉伸储能器件。本研究提出了一种高应变多孔复合材料的设计方法，为可拉伸储能器件的发展提供了广阔的前景。

正文

随着柔性储能装置的发展，它越来越受到人们的重视，对柔性储能装置提出了更高的要求。设计高应变、高功率密度、低成本的柔性超级电容器，以满足新的应用领域的需求，已成为科学家的重要目标。

PANI（聚苯胺）因其理论比电容高、环境稳定性好、制作简单、成本低，通常被用作制造超级电容的活性材料。同时，PVA不仅具有非凡的力学性能，而且具有自愈能力。PVA/PANI复合材料虽然可以通过PVA水凝胶和PANI水凝胶的混合制备出力学性能改善的电极活性材料，但在拉伸状态下储能性能下降。

本研究以十二烷基磺酸钠(SDS)为模板，采用冷冻/解冻法制备了高应变三维多孔PVA。复合材料中近似圆孔可以通过改变截面构型来缓解应变的影响。同时，在不同拉伸变形下，PANI的分子结构得到了有效的保护。更重要的是，该多孔结构可作为离子传输通道，最终改善其电化学性能。

实验部分

材料和方法

苯胺(分析纯)在使用前进行蒸馏。碳布(0.36 mm厚度)在6 M HNO3溶液中浸泡一夜，然后用丙酮和水彻底清洗，然后干燥。

多孔聚乙烯醇采用SDS模板和简单的浇铸工艺制备在聚四氟乙烯(PTFE)板上。

按以下步骤制备了多孔PVA/PANI复合材料：0.0027 mol苯胺溶于7.5 mL HCl水溶液(1.0 mol L-1)中。然后，将多孔PVA膜在真空环境下浸入苯胺溶液中，使苯胺浸入PVA的多孔中。20分钟后，将多孔PVA膜和苯胺溶液放入冰箱冷冻特定时间。0.0027 mol过硫酸铵(APS)溶于7.5 mL盐酸水溶液(1.0 mol L-1)中。APS溶液也放入冰箱10分钟，然后在室温下滴加到苯胺溶液中。聚合12 h后，多孔PVA膜由白色变为墨绿色，最终形成多孔PVA/PANI复合材料。

化合物的表征

通过傅里叶变换红外(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、x射线衍射(XRD)和热重分析(TGA)进一步确定了多孔PVA、PANI和多孔PVA/PANI复合材料的详细结构信息。

3. 结果与讨论

本文报道了一种制备具有三维多孔结构的多孔PVA/PANI复合材料的简便、低成本的方法。系统研究了多孔复合材料的形貌、力学性能和电化学性能。多孔PVA/PANI复合材料由于其多孔结构和良好的力学性能，制备了具有良好电化学性能的全固态超级电容器。全固态超级电容器具有300.9 mF cm-2、循环稳定性好，10000次充放电循环后电容保留率达85%。此外，全固态超级电容(不带集电极)在反复弯曲和拉伸下表现出优异的柔韧性和较高的保持力。结果表明，该多孔复合材料在制备全固态柔性超级电容器器件方面具有一定的可行性。本文提出的多孔复合材料的设计方法是非常有效的，代表了发展可拉伸储能系统的一个重要潜力。（超级电容和电池)。

转自：“科研一席话”微信公众号

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