导电聚合物水凝胶的制备及其超级电容性能

1、实验报告导电聚合物水凝胶的制备及其超级电容性能学 号：姓 名：专 业：指导教师：2019年6月13日研究背景：超级电容器利用静电极化电解溶液的方式储存能量。虽然它是一个电化学器 件，但它的能量储存机制却一点也不涉及化学反应。这个机制是高度可逆的，它 允许超级电容器充电放电达十万甚至数百万次。超级电容器可以被视为在两个极板外加电压时被电解液隔开的两个互不相 关的多孔板。对正极板施加的电势吸引电解液中的负离子，而负面板电势吸引正 离子。这有效地创建了两个电荷储层，在正极板分离出一层，并在负极板分离出 另外一层。传统的电解电容器存储区域来自平面，导电材料薄板。高电容是通过大量的 材料折叠。可能通过进

2、一步增加其表面纹理，进一步增加它的表面积。过去传统 的电容器用介质分离电极，这些介质多数为：塑料，纸或薄膜陶瓷。电介质越薄， 在空间受限的区域越可以获得更多的区域。可以实现对介质厚度的表面面积限制 的定义。超级电容器的面积来自一个多孔的碳基电极材料。这种材料的多孔结构，允 许其面积接近2000平方米每克，远远大于通过使用塑料或薄膜陶瓷。超级电容 器的充电距离取决于电解液中被吸引到电极的带电离子的大小。这个距离(小于 10埃)远远小于通过使用常规电介质材料的距离。巨大的表面面积的组合和极 小的充电距离使超级电容器相对传统的电容器具有极大的优越性。超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用

3、和使用。由于制造 商或特定的应用需求，这些材料可能略有不同。所有超级电容器的共性是，他们 都包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电 极和隔膜分离出来的两个的孔隙。实验目的：1、了解超级电容器的特点2、掌握制备超级电容器制备过程实验步骤：预先配制6 M的HCl溶液和10 wt%的聚乙烯醇(PVA)水溶液；0.4564 g过硫酸铵(APS)溶于1 mL去离子水中形成溶液A;在另一瓶子中加入225皿去离子水，835皿6 M的HCl溶液，再加入0.13971 g苯胺单体；称0.0162696g水合三氨基苯硼酸(ABA-H2O)粉末，加入到上述混合液中，搅拌均匀;最后用注射

4、器量取3 mL PVA水溶液，加入到上述混合液中，形成溶液B。取808止溶液A加入到B（于小试剂瓶或不同几何体模具）中，反应6 h （快速混 合）；待其固化，得到的凝胶置于大量去离子水中冲洗24 h以除去多余的离子及副 产物。从下图我们可以看到，添加适量引发剂后，B瓶溶液1min呈现墨绿色， 10min后已开始胶凝，随时间不断加深，6 h后已经完全固化。添加引发剂前 1 min 10 min min ! h 3h 6 h图1聚苯胺水凝胶反应过程数码照片在水凝胶胶凝固化之前，可以将其转移到不同的容器中，待其固化即可得到不同 形状的水凝胶材料（如图5-5a所示）。为了得到柔性自支撑的水凝胶薄膜，我

5、 们选用了玻璃板作为基底，将A，B两种前驱液混合后，倾倒在刮涂机上玻璃板， 厚度控制：70 p m、100 p m、200 p m、300 p m、500 p m、600 p m、700 M m等；反应6 h （快速混合）后固化，得到的薄膜表面覆盖适量去离子水浸泡、 每6小时更换去离子水，反复24 h，以除去多余的离子及副产物。图2.聚苯胺水凝胶的块体和薄膜照片器件组装:PVA/H2SO4凝胶电解质的配制：PVA与浓硫酸与去离子水质量比为1:1:8，如取8.0 g去离子水、再加入1.0 g聚乙烯醇粉末，再加入1.0 g浓硫酸，将瓶置于磁力加热搅拌器中，温度控制 85 C，剧烈搅拌6小时以上，直

6、至形成透明均匀的电解液；后取出自然降温备 用。封装试剂PDMS （聚二甲基硅氧烷）制备：A胶与B胶质量比为10:1，如取8.0 g A胶、再加入0.8 g B胶，搅拌均匀， 将其置于电热真空干燥箱中抽出气泡，这一过程持续到液体中所有气泡完全殆尽， 后取出备用。全凝胶聚合物器件的制备：全凝胶聚合物器件的制备流程如图5-6所示，我们首先利用磁控溅射技术在聚合 物凝胶薄膜上溅射上金电极作为集流体（溅射功率40 W，溅射时间20 min ）， 然后利用紫外激光冷光加工手段得到叉指结构，再依次在叉指结构的器件上涂覆 PVA/H2SO4凝胶电解质和PDMS封装材料，最终得到了封装完好的全凝胶聚合物 超级电容器。镀金,薄眼义指电极I涂覆电 解质图3.全凝胶超级电容器制备流程图最终器件实验结果:OaO OJ040#0.8Potenlia （V 皿 SCE）0.2 m A/cmOJ mA/cniJ0.8 in A/ciii.=1 irt A.ciil_图4.全凝胶器件的循环伏安（CV）曲线和恒流充放电（GCD）曲线成功制备了薄膜状的全凝