摘 要

近年来，因为人们在柔性显示器, 光伏器件和可穿戴的电子器件等领域的需求，对于柔性电化学储能器件的研究引起了人们广泛的研究兴趣。柔性电容器，作为一种新型的柔性能源储存装置，具有高的功率密度，安全，廉价，质量小等特点。但是如果要满足电子产品的要求，其能量密度仍然比较低，因此提高器件的能量密度十分关键。

碳纳米管具有高的导电性，良好的机械强度和高比表面积，将碳纳米管用于超级电容器的柔性电极制备可以提高电极的电化学性能。本论文将碳纳米管分散于商用碳素墨水中形成碳纳米管墨水，在微量粘接剂的作用下涂覆商用打印纸，制备柔性纸电极。研究结果表明：通过直接浸润-干燥法制备的电极中质量比为2:1:1的电极性能表现最佳，在0.05 mA cm^-2的电流密度下约有11.7 mF cm^-2的面积比电容，在循环充放电了100圈后仍然有约76%的电容保留率，库伦效率均保持在83%以上；同时通过真空抽滤法制得性能更好的电极，在0.05 mA cm^-2电流密度下有约70.1 mF cm^-2的面积比电容，在循环充放电100圈后仍然有约92%的电容保留率，库伦效率保持在93%以上。

本论文利用纸作为基板，采用一种科学简便的方法制备出了循环性能较好的纸电极,为柔性纸电极的可控制备提供了思路，同时利用真空抽滤的方法改进了制备方法并制备出性能更好的电极，为柔性纸电极的性能改进提供了科学的参考。

关键词：碳纳米管；柔性；超级电容器；纸

Abstract

In recent years, because of the demand of flexible displays, photovoltaic devices and wearable electronic devices, flexible electrochemical storage device has attracted widespread interest. Flexible capacitors, as a new type of flexible energy storage device with high power density, safety, cheap and low quality. But if we want to meet the requirements of electronic products, its energy density is still relatively low, so improve its energy density is very critical.

Carbon nanotubes have high conductivity, good mechanical strength and high specific surface area, carbon nanotubes as flexible electrode for supercapacitor preparation can improve the electrochemical performance of electrode. In this thesis, carbon nanotubes were dispersed in the commercial carbon ink to form carbon nanotube ink. In the role of micro adhesive coated with commercial printing paper to prepare flexible paper electrodes. The results show that: the electrode prepared by direct infiltration-drying in a mass ratio of 2:1:1 performances the best at 0.05 mA cm² its area specific capacitance is about 11.7 mF cm². After 100 charge-discharge cycles there is still about 76% of the capacitance retention, the coulombic efficiency is kept in more than 83%; and electrode prepared by the vacuum suction shows better performance, there is about 70 mF cm² of the area specific capacitance at the current density of 0.05 mA cm² and still about 92% capacitance retention after 100 charge-discharge cycles. The coulombic efficiency is maintained at more than 93%.

In this thesis, we use paper as a substrate, using a scientific and simple method and prepared a paper electrode with a good recycling performance, which provided an idea for the controllable preparation of flexible paper electrodes. At the same time, the vacuum filtration method as an improved preparation method leads to better performance. Our work provides the feasibility of data to improving the electrochemical performance of flexible paper electrodes.

Key Words：carbon nanotubes；flexible；supercapacitor；paper

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 超级电容器的分类 2

1.2.1 双电层电容器 2

1.2.2 法拉第赝电容器 4

1.3 柔性超级电容器 4

1.3.1 柔性超级电容器的特点 5

1.3.2 柔性超级电容器的结构 5

1.3.3 基于碳纳米管的超级电容器的研究进展 6

1.3.4 基于碳纳米管的纸基柔性超级电容器 7

1.4 本论文的研究目的及意义 8

第2章 实验技术与表征 10

2.1 试剂 10

2.2 实验仪器 10

2.3 材料的表征及测试 10

2.3.1 材料的形貌 10

2.3.2 材料的电化学测试 11

2.4 计算公式 12

第3章 基于碳纳米管墨水的柔性纸电极的制备与性能研究 14

3.1 引言 14

3.2 柔性纸电极的制备及表征 14

3.2.1 纸电极的制备 14

3.3 纸电极的电化学性能 16

3.4 小结 20

第4章 结论和展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 引言

随着经济的发展和技术的进步，近百年来人类对于化石能源等不可再生能源的开发利用越来越依赖，发展速度太快，大量的开采利用，使得不可再生的资源面临严重的储量危机。人们虽然在其他可替代能源方面做了很多的努力^[1]，比如太阳能，地热能，风能，水能等可再生能源，但是这些看似理想的可再生能源都有其自身的缺点。例如水能，虽然我国资源分布丰富，但是主要分布在西南地区，地热能也一样，因为其分布的问题，使得有些地区的利用发展十分困难；风是一种自然能源，但是其方向大小等都在不断变化，在无风的情况下，就不能做到能源的持续供应；太阳能是人类可以利用到的最直接并且最丰富的可再生能源，虽然太阳每秒钟通过电磁波的形式传到地球表面很大的能量，但是在恶劣天气的条件下会影响到能源的持续供应^[2]，因此，对于能量储存设备的研究变成科研工作者们的热点，也是世界范围内实现能源可持续发展的重要组成部分。

自1800年Volta利用不同金属与电解质接触构成电池以来，化学电源（化学电池），一直是一种很重要的电能储存设备，它的原理就是通过将化学能转化为电能，为科研，日常生活等各个领域提供能量。化学电源主要分为以下几类：锌-二氧化锰电池、铅蓄电池、镍镉电池、锂电池、锌银电池等^[3,4]。与另一种电能储存设备——以静电形式储存电能的传统电容器进行比较的话，化学电源具有较高的能量密度，并且更容易运用于实际应用中，但化学电源充电需要的时间过长，放电电流不大，功率密度较低等特点使其很难运用于大功率设备中。因此，怎样制造出既有很高的能量密度同时功率密度也不低的储能设备成为各领域研究者共同关心的话题。