本文關(guān)鍵詞： 紡織材料 產(chǎn)能器件 儲(chǔ)能器件 可穿戴能源器件 摩擦發(fā)電機(jī) 石墨烯 復(fù)合導(dǎo)電纖維 超級(jí)電容器　出處：《東華大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著科技的發(fā)展,越來越多的可穿戴智能電子產(chǎn)品走入人們的日常生活中,電池作為電子產(chǎn)品的核心部件,其柔性及續(xù)航能力一直被人們所詬病,使得可穿戴能源器件成為智能材料領(lǐng)域重要研究方向之一。盡管已有大量研究針對(duì)如何改善可穿戴能源器件的穿戴舒適性及如何提高性能等,但高昂的制作成本、較差的靈活性、較低的耐久性和環(huán)境依賴性等嚴(yán)重限制了它們的真正應(yīng)用。搭載新材料、設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)是改善可穿戴能源器件性能及提高其環(huán)境適應(yīng)性的重要方法。紡織材料是天然的可穿戴材料,它具有優(yōu)異的穿戴舒適性、選擇普遍性和力學(xué)穩(wěn)定性等,以其作為活性物質(zhì)基底制備能源器件受到了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。但目前以紡織材料為基底的壓電器件的研究剛剛處于起步階段,在儲(chǔ)能領(lǐng)域大都關(guān)注于活性物質(zhì)方面而非基底本身。具體地來說,首先纖維狀能源器件的基底大都不能批量化制備,所制備的電極長度有很大限制;其次平面狀超級(jí)電容器電極基底大都難以實(shí)現(xiàn)單位面積內(nèi)的高負(fù)載量,從孔隙率及緊密程度出發(fā)研究織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)最終性能影響的報(bào)道基本也沒有;且針對(duì)紡織結(jié)構(gòu)的產(chǎn)能器件和儲(chǔ)能器件的集成以實(shí)現(xiàn)自供電的新結(jié)構(gòu)也鮮有提及。論文從紡織材料出發(fā),首先以經(jīng)編間隔織物為基底制備了柔性摩擦壓電式產(chǎn)能器件——摩擦發(fā)電機(jī),再以常見紡織紗線和織物為基底制備了一維及二維柔性超級(jí)電容器儲(chǔ)能器件,最后使用所制備的摩擦發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能并存儲(chǔ)于制備的柔性超級(jí)電容器中,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)儲(chǔ)能一體化可穿戴能源器件的組裝,研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1)選擇經(jīng)編間隔織物為基底,在織物下層的上表面成型了聚二甲基硅氧烷(PDMS)摩擦結(jié)構(gòu),與織物上層的聚酯(PET)纖維在外力的作用下實(shí)現(xiàn)有效摩擦并產(chǎn)生電荷,利用間隔織物自身良好的壓縮回彈性,在外力撤除后實(shí)現(xiàn)上下層分離,輔以外接電路,完成靜電感應(yīng)過程,順利地將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能,最終將產(chǎn)生的電荷進(jìn)行有效的收集和利用,實(shí)現(xiàn)了垂直接觸-分離模式摩擦發(fā)電機(jī)的研制。所研制的摩擦產(chǎn)能器件中無需采用現(xiàn)有的元器件(如彈簧等硬質(zhì)材料)來實(shí)現(xiàn)摩擦表面分離,且感應(yīng)電極采用柔性碳納米管薄膜,規(guī)避了銀膠薄膜結(jié)合不牢、易破壞的缺點(diǎn),體現(xiàn)整個(gè)器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性。在該項(xiàng)工作中,探索了間隔織物基底參數(shù)和測試過程中施加力的條件對(duì)產(chǎn)能器件輸出電性能的影響,揭示了器件發(fā)電的工作原理。結(jié)果表明,隨著間隔織物厚度、面積及施加力的增大,器件的輸出電信號(hào)增大;而由于間隔織物的壓縮回彈遲滯性,使得隨著施加力頻率的增加,輸出電信號(hào)有所衰減。作為典型案例,重點(diǎn)研究了厚度8 mm、面積5 cm×5 cm的間隔織物制備的摩擦壓電式產(chǎn)能器件的各項(xiàng)性能,該器件在400 N按壓力、摩擦頻率1 Hz的條件下,可穩(wěn)定輸出500 V的電壓信號(hào)和20μA以上的電流信號(hào),結(jié)合不同阻值的外加負(fù)載,其最大輸出功率可以實(shí)現(xiàn)153.8 m W m-2。該器件產(chǎn)生的電能經(jīng)整流作用后可對(duì)儲(chǔ)能器件進(jìn)行充電,能正常點(diǎn)亮常見微型電子元件LCD和LED等。(2)以聚酰亞胺(PI)長絲紗為基底,通過堿處理的方式賦予纖維表面新的親水基團(tuán)(酰胺鍵和羧基鍵),再浸涂吸附氧化石墨烯。吸附的氧化石墨烯經(jīng)過氫碘酸(HI)還原后成為導(dǎo)電石墨烯,完美包覆于PI長絲表面形成導(dǎo)電通路,并與新基團(tuán)產(chǎn)生新的化學(xué)鍵使得結(jié)合牢度增強(qiáng),形成高界面結(jié)合力的石墨烯/PI復(fù)合導(dǎo)電纖維。在制備復(fù)合導(dǎo)電纖維的過程中,探索了堿處理工藝及浸涂工藝對(duì)導(dǎo)電纖維性能的影響。結(jié)果表明,堿處理時(shí)間可以有效控制纖維表面刻蝕情況,并影響氧化石墨烯的吸附量及吸附牢度,其中處理時(shí)間為30 min時(shí)所制備的復(fù)合導(dǎo)電纖維性能最優(yōu);調(diào)控浸涂次數(shù)可以有效控制涂層厚度及導(dǎo)電纖維的電學(xué)和電化學(xué)性能。課題選用的涂層浸涂法不但能夠批量化制備復(fù)合導(dǎo)電纖維,且在浸涂次數(shù)為12時(shí),制備好的石墨烯/PI復(fù)合導(dǎo)電纖維的電導(dǎo)率可達(dá)到1.02×103 S m-1,應(yīng)對(duì)各種變形如彎折、扭曲及水洗后,性能依然維持穩(wěn)定。以所制備的復(fù)合導(dǎo)電纖維為電極材料組裝了纖維狀超級(jí)電容器(一維儲(chǔ)能器件),電化學(xué)性能優(yōu)良。通過電化學(xué)測試結(jié)果討論了由復(fù)合導(dǎo)電纖維制備的電極長度對(duì)儲(chǔ)能器件比電容的影響,特別地,當(dāng)恒流充放電電流密度為90、180、360和720 m A cm-3時(shí),對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能器件的體積比電容為16.4、12.6、9.5和5.9 F cm-3,在充放電3000次以后依然能夠維持比電容的穩(wěn)定。(3)以常見棉織物為基底,通過化學(xué)原位聚合的方法制備聚吡咯涂層導(dǎo)電織物,以此為電極制備了二維(織物)儲(chǔ)能器件�？椢镒鳛橐环N多孔結(jié)構(gòu)基底,其組織結(jié)構(gòu)直接影響了自身孔隙率和比表面積的大小,課題從織物組織結(jié)構(gòu)出發(fā),討論了組織結(jié)構(gòu)對(duì)活性物質(zhì)負(fù)載量以及負(fù)載牢度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在所選擇的三種典型結(jié)構(gòu)的織物中,針織結(jié)構(gòu)比機(jī)織或非織結(jié)構(gòu)更適合做為基底使用,得益于自身合適的孔隙率和緊密度,所制備的電極在活性物質(zhì)負(fù)載量和負(fù)載牢度、電學(xué)及電化學(xué)性能等方面均更優(yōu)。通過調(diào)控化學(xué)聚合反應(yīng)濃度(吡咯單體濃度調(diào)控范圍為0.04~0.22 M)來調(diào)控織物基底對(duì)活性物質(zhì)的負(fù)載量,最終在吡咯單體濃度為0.2 M時(shí),以針織結(jié)構(gòu)為基底,制備出負(fù)載量12.3 mg cm~(-2)的導(dǎo)電織物。另外,還特別地探索了活性物質(zhì)負(fù)載量對(duì)電極表面電阻、面積比電容和質(zhì)量比電容的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著負(fù)載量的增加,導(dǎo)電織物的表面電阻呈減低趨勢(當(dāng)負(fù)載量大于6 mg cm~(-2)時(shí),電極的表面電阻可低于50Ω□-1),面積比電容呈現(xiàn)增大趨勢,而質(zhì)量比電容體現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。將制備好的導(dǎo)電織物作為電極組裝了超級(jí)電容器(二維儲(chǔ)能器件),測試了器件的電化學(xué)性能。測試結(jié)果表明,在恒流充放電電流密度為2、5、10、15和20 m A cm~(-2)時(shí),對(duì)應(yīng)電極的面積比電容為4117、3553、2956、2516和2212 m F cm~(-2)。同時(shí),所制備的儲(chǔ)能器件還表現(xiàn)出良好的柔性和性能穩(wěn)定性,在彎曲或扭轉(zhuǎn)500次以后依然可以穩(wěn)定地工作。組裝好的儲(chǔ)能器件經(jīng)過簡單的串聯(lián)在放電過程中可點(diǎn)亮LED燈。(4)以所制備的摩擦壓電式產(chǎn)能器件作為發(fā)電部分,超級(jí)電容器(儲(chǔ)能器件)為儲(chǔ)能部分,組裝了產(chǎn)儲(chǔ)能一體化的能源器件。結(jié)果表明,摩擦壓電式產(chǎn)能器件可以有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)化的電能輸入到儲(chǔ)能器件中,對(duì)儲(chǔ)能器件進(jìn)行充電,存儲(chǔ)電能后的儲(chǔ)能器件的放電過程能實(shí)現(xiàn)簡單的應(yīng)用,如點(diǎn)亮LCD顯示屏和LED燈等。論文以紡織材料為基底,先后制備摩擦發(fā)電機(jī)(產(chǎn)能器件)、纖維狀(一維)和織物(二維)超級(jí)電容器(儲(chǔ)能器件),所制備的產(chǎn)、儲(chǔ)能器件均保留了紡織材料優(yōu)良的柔性和穿戴性。通過組裝接連,完成了產(chǎn)儲(chǔ)能一體化的可穿戴能源器件的研制,并將所制備的產(chǎn)儲(chǔ)能器件做了應(yīng)用展示,為研發(fā)可穿戴能源器件提供了新結(jié)構(gòu)和新思路。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TS106.6;TM31;TM53

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本文編號(hào)：1493586