聚苯胺超級電容器材料

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1、科研訓(xùn)練報告書項(xiàng)目名稱：聚苯胺超級電容器材料學(xué)生姓名：陶學(xué)楷學(xué)號：2012211927專業(yè)班級：高分子材料與工程12-1班指導(dǎo)老師：汪瑾2014年7月12日摘要：綜述了超級電容器的分類、機(jī)理以及特性。闡述了超級電容器用導(dǎo)電聚苯胺的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。并比較了超級電容器用聚苯胺的合成方法。同時表明不同的摻雜物種、摻雜方式對PANI的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的影響甚大關(guān)鍵詞：超級電容器；聚苯胺；比電容；循環(huán)特性1.背景知識介紹超級電容器也稱電化學(xué)超級電容器，是20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的

2、新型儲能器件，其具有法拉級的超大電容量，比同體積的電解電容器容量大2000～6000倍，功率密度比電池高10～100倍，具有工作溫度范圍寬、可大電流充放電、充放電效率高的優(yōu)點(diǎn)，充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)10萬次以上，循環(huán)效率高(大于99％)，并且免維護(hù)。超級電容器可廣泛應(yīng)用于機(jī)動車啟動、電動工具、太陽能發(fā)電、電廠峰谷平衡、國防等領(lǐng)域，其優(yōu)越的性能及廣闊的應(yīng)用前景受到了各個國家的重視[1-3]。根據(jù)存儲電能的機(jī)理不同，超級電容器可分為雙電層電容器和贗電容器[4]。雙電層電容器使用的電極材料多為多孔碳材料，如

3、活性炭、碳?xì)饽z、碳納米管(CNTs)等。贗電容器也叫法拉第準(zhǔn)電容器，其產(chǎn)生機(jī)制與雙電層電容器不同，通常具有比雙電層高lO一100倍的比容量和比能量。目前贗電容器的電極材料主要為一些金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物[5]。用導(dǎo)電聚合物作為超級電容器的電極材料是近年來發(fā)展起來的。常見的導(dǎo)電聚合物材料有聚吡咯(PPY)、聚噻吩、聚苯胺(PANI)、聚對苯、聚并苯、聚乙炔二茂鐵、聚亞胺酯及它們衍生物的聚合物如聚3一(4一氟苯基)噻吩、聚反式二噻吩丙烯氰等。目前對導(dǎo)電聚合物電容器的研究主要集中在提高其循環(huán)壽命上[6

4、]。雙電層電容器和法拉第電容器的特性差別雙電層電容器法拉第電容器雙電層儲能原理氧化還原反應(yīng)儲能原理比電容相對較低比電容相對較高適合大電流放電不適合大電流放電高導(dǎo)電率和低內(nèi)阻低導(dǎo)電率和高內(nèi)阻恒流放電時電位線性變化往往存在特征放電電位電容量隨電壓恒定電容量不隨電壓恒定1879年,德國物理學(xué)家亥姆霍茲(Helmholtz)提出界面雙電層電容理論,該理論是研究固體與液體、固體與固體界面性質(zhì)的一種理論。后來經(jīng)過Gouy、chapman和斯特恩(stem)進(jìn)一步研究,雙電層電容器的工作原理逐步完善。當(dāng)一對固體

5、電極被浸在電解質(zhì)溶液中時,在活性電極和電解液之間存在一個界面層。當(dāng)施加外電壓時,具有正電荷的正極會吸引溶液中負(fù)離子,具有負(fù)電荷的負(fù)極吸引正離子,可以形成緊密的雙電層,從而實(shí)現(xiàn)存儲電荷的功能,這種在電極界面形成的電容稱為雙電層電容。由于正負(fù)離子在固體電極和電解液之間的表面上分別吸附,造成兩個固體電極之間的電勢差,從而實(shí)現(xiàn)能量的存儲。這種儲能原理,允許大電流快速的充放電,其容量大小隨所選電極材料的有效比表面積的增大而增大。法拉第準(zhǔn)電容器是指在外加電壓的作用下,活性電極材料表面和內(nèi)部,發(fā)生可逆的化學(xué)吸/

6、脫附或者氧化還原反應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的儲存。其充放電過程為:充電時,電解液中的離子和電極材料的活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng);放電時發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng),使儲存的電荷通過外電路釋放出來[l9]。法拉第準(zhǔn)電容發(fā)生在三維空間,活性物質(zhì)利用率很高,因而法拉第準(zhǔn)電容可以達(dá)到雙電層電容量的10一100倍。1.研究現(xiàn)狀和前景（1）聚苯胺的研究現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代，Macdiarmid對聚苯胺作了系統(tǒng)研究。并提出這種導(dǎo)電聚合物在高能電池中很有應(yīng)用前景。隨后諸多科研工作者對聚苯胺的基礎(chǔ)理論工作進(jìn)行了深入研究,到目前為止,聚苯胺

7、的鏈結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電機(jī)理、摻雜反應(yīng)等重要問題已基本得到闡明。根據(jù)氧化程度的不同聚苯胺的結(jié)構(gòu)可以分為五種:全胺式結(jié)構(gòu)(還原態(tài)),單醒式結(jié)構(gòu),雙醒式結(jié)構(gòu),三醒式結(jié)構(gòu)和全醒式結(jié)構(gòu)(高氧化態(tài))。半氧化型、半還原型的本征態(tài)的聚苯胺是絕緣體,經(jīng)質(zhì)子酸摻雜或電氧化后電導(dǎo)率可以提高十幾個數(shù)量級。在聚苯胺中,“摻雜”能顯著改變其電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、磁性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征和導(dǎo)電性。摻雜態(tài)聚苯胺可用堿進(jìn)行反摻雜,且摻雜與反摻雜完全可逆的。（2）超級電容器用導(dǎo)電聚苯胺的發(fā)展方向聚苯胺的電化學(xué)行為主要取決于本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),與C電極材料

8、相比,聚苯胺電極材料主要通過快速可逆的脫摻雜氧化還原反應(yīng)來完成儲能過程,與MnO2、NiO等利用法拉第準(zhǔn)電容進(jìn)行儲能的金屬氧化物電極材料相比,聚苯胺的整個體相均發(fā)生了氧化還原反應(yīng),所以與C電極材料和普通金屬氧化物材料相比,其單電極的比電容量可達(dá)到450F/g,遠(yuǎn)大于水系中C電極材料和金屬氧化物材料的比電容量(200Fg-1)。超級電容器作為一種能量儲存器件,其性能的衡量指標(biāo)主要有:比電容量、內(nèi)阻、能量密度、功率密度等。對聚苯胺電極材料而言,高電極比電容量是其最顯著的優(yōu)點(diǎn),但限于聚苯