电解-电化学混合电容器纳米电极的制备及电性能研究

为获得高工作电压、高功率密度和高能量密度的新型储能器件，结合电解电容器和电化学电容器的各自优点，利用廉价的铝电解电容器阳极和导电聚苯胺电化学电容器阴极，构建电解-电化学混合电容器系统。采用纳米模板技术，借助聚合物的转换巧妙地将氧化铝有序纳米孔洞结构复制到铝基体上，制备具有规则纳米孔洞阵列的铝阳极；利用具有锯齿状纳米孔道的新型模板，制备锯齿状纳米聚苯胺纤维阴极；再配合适用于电解电容器和电化学电容器的离子液体基电解液，组合成混合电容器。本项目主要研究铝阳极纳米孔洞尺寸对比容的影响；研究Al/Al2O3/电解液系统中电介质的电子电流与电压的关系以及击穿机制和规律；研究锯齿状纳米聚苯胺阴极形貌对电极容量的影响，揭示导电聚合物电化学电容器的充放电机理；研究混合电容器系统的储电性能，建立其总体能量密度和功率密度与电极材料微结构之间的关系。为新型能量储存和转换器件的研究提供技术基础和前进方向。

电化学电容器作为一种高功率密度和高能量密度的储能器件已成为世界范围内的研究热点，然而极低的工作电压限制了其在很多方面的应用。本项目利用高工作电压的铝电解电容器Al/Al2O3阳极与导电聚苯胺电化学电容器阴极组合，制备高工作电压和高功率密度的电解-电化学混合电容器。利用多孔阳极氧化铝 (PAA)纳米模板技术制备高比表面积的电极材料，从而提高混合电容器的能量密度。经过三年的研究，本项目主要在以下方面取得了突破：提出了PAA纳米孔洞新的形成机理，发展了PAA纳米模板制备技术，实现了常温下规则PAA模板的快速制备、通孔PAA模板的高效简便制备、锯齿状新型PAA模板的可控生长，并且首次发现大孔间距的PAA膜不能在抛光铝箔上形成，在高阳极氧化电压下抛光铝箔上只能形成致密膜而无法得到多孔膜；在此基础上成功制备了锯齿状纳米聚苯胺阴极以及Al/Al2O3阳极，并利用与PAA膜纳米孔道结构类似的多孔氧化钛纳米管阵列，制备了聚苯胺/氧化钛纳米复合阴极，与钽电解电容器阳极组合，以硫酸为电解液成功制备了高工作电压（100V）和高能量密度的电解-电化学混合电容器；通过在氧化钛纳米管中直接原位电化学聚合制备聚苯胺膜，解决聚苯胺电极在中性电解液中的电化学活性问题，为构建铝电解电容器和聚苯胺电化学电容器组成的电解-电化学混合电容器系统打下了基础；分别利用等离子体表面处理技术和电化学还原掺杂方法，对多孔阳极氧化钛纳米管阵列膜进行改性，成功地制备了高比容的电化学电容器电极，该电极可以工作在中性电解液中，利用其作为阴极与铝电解电容器阳极混合，使得传统铝电解电容器的比容量增加一倍以上。