本文摘要：摘要：可拉伸超級電容器在可穿戴領域被廣泛應用，它不僅要求具有良好的電容性，同時還要求具有良好的抗拉伸性。為此，實驗設計了一種線性可拉伸超級電容器，利用廉價的質軟不銹鋼細絲制備成線性可拉伸集流體，采用電化學沉積方法，將聚苯胺沉積在不銹鋼絲上
摘要：可拉伸超級電容器在可穿戴領域被廣泛應用，它不僅要求具有良好的電容性，同時還要求具有良好的抗拉伸性。為此，實驗設計了一種線性可拉伸超級電容器，利用廉價的質軟不銹鋼細絲制備成線性可拉伸集流體，采用電化學沉積方法，將聚苯胺沉積在不銹鋼絲上，結合可拉伸聚合物電解質，制備出固態可拉伸電容器。它具有良好的拉伸循環性，可以被拉伸30%，并且在1000圈拉伸循環后電化學性能維持初始電容的89%。
關鍵詞：超級電容器,可拉伸,聚苯胺,不銹鋼絲,電化學沉積
0引言
隨著近年來科學技術的不斷發展，人們對柔性、可折疊的電子產品的需求日益增強。作為被廣泛關注的儲能器件，超級電容器也在追求著質輕、柔軟、可拉伸、便攜帶等特點。可穿戴產品的市場不斷擴大，帶動了柔性可拉伸超級電容器需求不斷增長。與普通的超級電容器相比，可拉伸超級電容器的工作環境更為復雜，受形變的干擾，可拉伸超級電容器必須保證其電化學性能具有良好的拉伸循環穩定性[1-2]。
近年來，在可拉伸超級電容器領域應用的儲能電極材料種類繁多，包括碳基材料如碳納米管[3]、碳氣凝膠[4]、石墨烯等[5];過渡金屬及其氧化物材料如RuO[6]、NiO、MnO2等[7];導電高分子材料如聚苯胺、聚吡咯[8]等。其中因聚苯胺具有高比電容、價格低廉、電化學活性高、易加工等優點，在儲能材料中被廣泛應用。
聚苯胺是通過可逆氧化還原反應中的摻雜和脫摻雜過程，實現電能與化學能之間的相互轉換，以此來實現能量的儲存與釋放。對于可拉伸超級電容器，目前能夠實現其可拉伸性，主要是依賴于可拉伸基底具有良好的拉伸性。可拉伸基底的拉伸是依靠其拉伸結構實現的，可拉伸結構包括波浪褶皺、一維纖維和微型儲能單元等[9]。
常用的可拉伸基底材料有聚合物塑料、碳纖維、硅橡膠等[10]。這些材料本身往往是不導電的，然而作為可拉伸電容器的集流體必須具備良好的傳輸電子能力，因此對于的這些可拉伸不導電材料，往往需要像金、銀、碳納米管等這樣的優良導電材料在其表面形成致密的導電層來賦予其導電能力[11]。然而這些導電材料往往成本較高，不利于它們在實際的廣泛應用。因此，研究一種成本低、導電性能好的可拉伸集流體結構顯得尤為重要。
本次工作發現，直徑為0.1mm不銹鋼軟絲由于本身具有良好的金屬導電性，且這種不銹鋼絲可以隨意彎曲，具有良好的可塑性。因此可以通過結構設計將其彎曲成具有可拉伸性能的波浪狀形狀，通過彈性優異的固態電解質的包覆的作用，利用固態電解質的拉伸收縮帶動不銹鋼絲的拉伸收縮，從而實現可拉伸變化。因此可以將波浪狀的不銹鋼絲結構應用與可拉伸超級電容器的研究中。
同時為了避免粘結劑的使用，并且保證電極材料與不銹鋼規劃上絲之間具有良好附著作用，降低整個器件的內阻，本文選擇電化學沉積方法將電極材料沉積在可拉伸不銹鋼絲表面上制備電極后，然后將兩個可拉伸電極組裝成可拉伸超級電容器，并對其進行了電化學性能和拉伸性能的研究[12]。通過在不同拉伸狀態和電化學性能測試，證實該可拉伸超級電容器具有良好的儲能性能和拉伸穩定性。
1實驗
1.1可拉伸電容器的制備
1.1.1實驗試劑
苯胺，麥克林，AR，使用前進行減壓蒸餾;硫酸，廣州化學試劑二廠AR;丙酮，廣州化學試劑二廠AR;聚乙烯醇，Sigma-Aldrich，Mw146000-186000;磷酸，國藥集團化學試劑有限公司，AR;3M超強無痕雙面膠，天安駿業膠粘制品購買;不銹鋼軟絲，304不銹鋼軟絲，直徑0.1mm，興化宏祥不銹鋼制品廠購買。
1.1.2實驗儀器電
化學工作站，上海辰華儀器有限公司，CHI760E;精密電控平移臺，PSA200-11-X;電子掃描顯微鏡，日本高新技術公司，SU8100;紅外光譜儀，Nicolet6700。
1.1.3可拉伸電極的制備
不銹鋼絲浸泡在丙酮中超聲清洗30min，洗去不銹鋼絲表面上的有機雜質。之后通過如流程圖所示的擠壓模具把不銹鋼絲彎曲成波浪狀。以波浪狀的不銹鋼絲為工作電極，在0.1mol/L苯胺、1mol/L硫酸的電解液中，選擇鉑電極做對電極、Ag/AgCl電極做參比電極，采用恒定電流法電化學沉積聚苯胺，電流密度為0.05mA/cm，沉積時間為600s。最后將沉積聚苯胺的不銹鋼絲電極用去離子水沖洗洗去不銹鋼絲表面未反應完全的殘余物。
1.1.4固態電解質的制備
取10g聚乙烯醇溶解在90℃的100mL的去離子水中，攪拌至聚乙烯醇完全溶解，溶液變得澄清，將15g的磷酸滴加到上熱溶液中，繼續室溫攪拌24h后備用[13]。
1.1.5可拉伸器件的制備與組裝
間隔1.5mm平行排列，澆注PVA凝膠電解質溶液在兩電極之間，使電解質完全包覆兩根電極絲，室溫通風干燥，使電解質水分揮發形成固態電解質膜，最終兩電極嵌入在電解質薄膜之中，以此制備成超級電容器。利用3M雙面膠將固態電容器進行封裝處理，使得拉伸后在擁有更好的回復力。
1.2樣品的性能及表征
聚苯胺可拉伸電極的形貌分析是通過掃描電子顯微鏡實現的;利用刮刀從不銹鋼絲表面刮取聚苯胺粉末樣品，去離子水洗滌、干燥后的制成測試樣品，利用傅立葉變換紅外光譜儀對聚苯胺的基團結構進行分析;利用電化學工作站對電極和超級電容器器件進行電化學性能表征。
2結果與討論
2.1表面形貌表征與紅外光譜分析
可以看出，不銹鋼絲在通過拉拔成型的生產過程中，其表面形成了大量的刮痕、凹坑等缺陷。這些缺陷很好的為聚苯胺提供了附著點，有助于聚苯胺在不銹鋼絲表面的附著。可以看到薄薄的致密聚苯胺層緊緊的包覆在不銹鋼絲表面。聚苯胺的微觀形貌呈珊瑚狀，并且能夠在不銹鋼絲表面均勻分布。
2.2電極的電化學性能分析
聚苯胺電極的電化學性能，是利用三電極體系在1mol/L硫酸中測試的。掃速為10mV/s的循環伏安曲線。其中有三對明顯的氧化還原峰A-A′、B-B′、C-C′，這是聚苯胺在硫酸中摻雜的特征峰。從-0.2～0.9V，A-A′是聚苯胺從全還原式與雙醌式之間氧化還原轉變過程，C-C′是雙醌式聚苯胺和它的進一步被氧化成四醌式狀態的的氧化還原峰。B-B′的峰是在苯胺聚合的過程中正耦合聚合物的形成以及苯輥、氫輥等水溶性成分的降解引起的。
可知阻抗曲線由高頻區的半圓弧和低頻區的直線兩部分組成，可以看出半圓弧的直徑是比較小的，表明電化學沉積的聚苯胺具有良好的導電性，低頻區接近一條垂直向上的直線，說明該電極具有良好的電容性。該電極具有優秀的電化學性能[16]。
2.3可拉伸電容器靜態電化學性能測試分析
將兩電極平行排列，在固態電解質的作用下組裝成固態超級電容器測試其電化學性能。可以看出，在0～0.8V區間之間充放電曲線近似呈一個矩形。隨著掃描速率的不斷增大，電勢達到最大值所需要的時間縮短，擴散層厚度變小，因此產生的擴散電流越大，在圖中顯示的矩形也越來越大。隨著掃描速率的成比例增長，矩形也近似呈等比例成倍增長，說明組成的超級電容器是一個良好的倍率性能。以制備電容器時的單根電極拉直狀態的長度為長度標準，計算該電容器的長度比電容。
在5mV/s的掃速時，比電容可以達到0.189mF/cm，掃速達到200mV/s的掃速時，比電容達到0.14mF/cm。是超級電容器在不同電流密度下的充放電曲線。隨著電流密度增大，放電時間不斷縮短。在0.0133mA/cm的電流密度下的比電容仍然可以達到0.148mF/cm。
3結論
綜上所述，該實驗利用直徑0.1mm的質軟不銹鋼絲，基于其良好的可塑性和優異的導電性，通過結構設計將其設計成波浪狀結構，可用作可拉伸集流體。由于聚苯具有高比電容、良好的導電性和成本低廉，在實驗中選擇聚苯胺做可拉伸電容器的活性材料。
選用的電化學沉積的方法，具有操作簡單安全的特點。該項工作中制備的可拉伸超級電容器，比電容可以達到0.148mF/cm，拉伸程度可以達到30%，并且承受1000次拉伸-收縮循環后比電容還可以維持在89%。制備的波浪狀質軟不銹鋼絲集流體，還可以結合其它可使用電化學方法沉積的電極材料如聚吡咯、石墨烯等，制備出與本工作結構相似的可拉伸超級電容器，具有廣泛的應用潛力。波浪狀結構還可以通過進一步的優化以獲得更好的拉伸性能。
電容器方向論文投稿刊物：《電力電容器與無功補償》(雙月刊)創刊于1980年，由西安電力電容器研究所、中國電工技術學會電力電容器專委會主辦。是國內電力電容器行業唯一在全國發行的電工技術類專業期刊。本刊連續十年入選為中國科技論文統計源期刊，現已全文入編《中國學術期刊(光盤版)》并加入中國期刊網。主要讀者為從事電力電容器科研、設計、運行及相關的原材料，配套件廠家的工程技術人員，經營管理人員和大專院校師生。
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