基于正二十二烷相变材料微胶囊的制备及其在超级电容器原位热管理中的应用

超级电容器,又称电化学电容器,是一种典型的高容量电容器。目前的研究表明,超级电容器在运行过程中内部会产生且累积大量的热。若这些热量不能够得到及时处理,则将会导致电池温度急剧升高,电荷存储容量显著下降,循环寿命衰减明显,甚至会带来严重的安全隐患(如火灾和爆炸等)。在这种情况下,一个高效率和低成本的热管理系统使得超级电容器保持在最佳的工作温度范围是必要的。相变材料(PCM)是一类储能材料,它可以通过物理相变储存大量的潜热并且能够基于热能需求的时候通过微小的温度变化释放热能,因此已被广泛应用于热能储存和热管理等领域。基于以上考虑,本论文提出了创新性的具有热温调节性能的电极系统理念,即将具有电能存储功能的金属氧化物和具有热管理功能的相变材料相结合。设计了一种基于正二十二烷相变芯材和分级结构的纳米片状二氧化锰/二氧化硅(MnO2/SiO2)外层壳的新型微胶囊。首先以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,经界面缩聚法合成无定形结构的SiO2包覆正二十二烷相变材料微胶囊。基于最佳的合成条件,正二十二烷和TEOS应以50:50的质量百分比加入到反应乳液中,以期获得完美的“核一壳”结构微胶囊。扫描电镜和透射电镜证实了合成的Si02微胶囊呈现出典型的“核一壳”结构,且表面光滑致密、粒径分布均匀。红外光谱测试表明SiO2无机壁材表面存在大量的羟基,有利于表面活性剂导向的模板系统的建立,为后续进一步合成纳米片状MnO2外层壳提供了理论基础。其次通过两亲性表面活性剂三嵌段共聚物P104模板导向自组装在SiO2微胶囊外壳表面实施氧化还原反应,从而成功制备分级壳结构的纳米片状MnO2/SiO2微胶囊。扫描电镜和透射电镜测试表明微胶囊表面均匀地分布了大量的、高密度的及不规则的Mn02纳米薄片阵列。通过氮气吸脱附实验发现纳米片状MnO2外层呈现出介孔结构特征。多通道温度采集记录仪和红外热成像仪则证实了微胶囊样品具有有效的热管理及热温调节性能。此外,为了进一步研究微胶囊样品的热管理性能,实验中还对其电化学性能进行了表征。结果表明,当操作温度高于45℃时,与MnO2/SiO2固体颗粒相比,分级结构的纳米片状MnO2/SiO2微胶囊样品作为电极材料用于超级电容器时具有更高的比电容和更优异的循环稳定性能。因此,本论文中设计的微胶囊作为电极材料使用时相较于传统的MnO2基电极材料具有更大的优势潜力。同时该研究为微胶囊化PCMs作为热温调节电极材料用于超级电容器的的开发和应用开辟了 一条新途径。