基于多孔氧化钛的聚苯胺纳米复合电极的研究(2)
4.3 本章小结 20
5 TiO2/PANI复合电极在中性溶液里的电化学性能研究 21
5.1 二氧化钛纳米管的长度对TiO2/PANI复合电极的电化学性能的影响 21
5.2 聚合量对TiO2/PANI复合电极的电化学性能影响 24
5.3 本章小结 24
结论 26
致谢 27
参考文献 28
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
超级电容器，又称电化学电容器[1]，其在短短几秒内就可以完成充放电过程。和传统的电容器相比，超级电容器的功率密度和能量密度都较高，近几年来引起了人们的广泛关注[2-4]。超级电容器的应用非常广泛，其最初主要作为备用电源应用于电子设备。例如应用于移动电话、照相机、无线接收器的电源等等。在这些设备里，比起二次电池，超级电容器的价格低，使用寿命长，即使在恶劣条件下，它也能正常使用。如今，超级电容器在很多领域已经取代了二次电池。超级电容器在新能源汽车上也扮演着十分重要的角色[5]。二次电池具有较高的比能量，但输出功率较小，超级电容正好可以弥补二次电池的缺点。在汽车中使用超级电容器，电池组件与电容器组件并联，设计电路使二者合为一体，这样一来可确保电池系统的输出功率及安全性。超级电容器在闪光灯、计算机、数据存储等领域也有着十分广泛的应用。
超级电容器的电极材料是决定其性能的关键。聚苯胺合成简单、价格低廉、环境稳定性好、电导率可控制，目前已是超级电容器电极材料的研究热门[6]。其应用非常广泛，如传感器[7,8]、存储器[9]、发光二极管[10]、电致变色[11]等。但聚苯胺的质子酸掺杂机理比较独特，当pH升高时，发生去质子化，电化学活性下降[12,13]。这使聚苯胺只能用于酸性介质（pH<4），大大限制了其应用范围。如用于船舶的防腐，海水的pH值就大于4。酸性电解液存在较大的隐患，不仅腐蚀金属，而且当电解液泄露时，将会损坏整个电容器。因此，拓宽聚苯胺的应用范围显得十分重要。同时，聚苯胺在力学性能和机械性能上存在缺陷，将聚苯胺与金属氧化物或碳材料进行复合可弥补这一点。本文将聚苯胺与TiO2纳米管阵列复合，制成复合电极，并研究了其性能，这或许对聚苯胺的研究可以做个借鉴。
1.2 电化学电容器的分类及工作原理
作为一种新的储能装置，超级电容器可以快速储能和用于功率补偿，其储能的多少可以用电容的大小来表示。根据能量的转化与储存机理，可将超级电容器分为以下两类，即法拉第准电容器（又称赝电容）和双电层电容器。其中赝电容又有导电高分子电容器和金属氧化物电容器两种。最近又出现了一种混合型电容器，其一极是超级电容器的储能机理，另一极是电池的电极。
1.2.1 双电层电容器
双电层电容器顾名思义是利用电解液与电极之间形成的双电层来储存电能。充电时，正极和负极之间的电解液会发生极化，正极表面形成负电荷离子层，负极表面形成正电荷离子层，所形成的正负电荷的离子会向相应的电极表面移动，形成稳定双电层。整个储能过程并没有发生化学反应，仅仅是电解液发生了极化，放电后又可恢复到充电前的状态，因此，整个过程是可逆的。因为碳电极的比表面积相对较大，通常用它来作双电层电容器的电极材料。电解液通常是导电固体电解质或硫酸。但是双电层间的电荷积累有限，这使得双电层电容器具有相对较小的比电容，使用范围受到限制。