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《江苏科技大学》 2019年 硕士论文
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柔性镍钴基和铁基电极材料的制备及其电化学性能研究

吴晗昭  
【摘要】:超级电容器作为新一代储能器件,具有高功率密度,快速充放电的能力,然而能量密度偏低严重制约了其在实际中的应用。提高超级电容器的能量密度的主要方法是制备具有高比容量的电极材料和和提高电极材料的电位窗口。镍钴基金属氧化物通常具有较高的比容量,然而导电性差,稳定性不足,因此需要与高导电性的碳材料结合制备出兼具高稳定性和高容量的电极材料。离子液体电解液具有宽的电化学窗口,铁基金属氧化物/氢氧化物具有在离子液体电解液中工作的能力,因此制备出能够在离子液体中稳定工作的铁基金属氧化物/氢氧化物具有重要意义。本文的主要研究内容和结果如下:(1)以碳纳米纤维为柔性基底,通过不同的活化试剂进行表面改性处理,使用高锰酸钾改性处理的碳纳米纤维具有最好的亲水性效果。在经过水热和之后的退火处理后,碳纳米纤维上均匀负载了纳米片状的钴酸镍材料,并且保持良好的力学性能。电化学测试表明,钴酸镍/碳纳米纤维复合电极材料在1A/g的电流密度下具有1077.9 F/g的最高比电容,在5 A/g电流密度下经过3000次充放电测试后仍能保持95.6%的初始比容量。(2)以尿素和葡萄糖为原材料,通过两步煅烧,制备出高氮掺杂的多孔碳纳米片材料,再经过一步简单的常温溶液搅拌法将羟基氧化铁量子点材料负载在碳纳米片上。形貌表征结果显示,氮掺杂碳纳米片有效改善了量子点的分散。通过调控氮掺杂碳和羟基氧化铁的比例,制备出的羟基氧化铁/氮掺杂碳纳米片复合电极在0.5 A/g表现出的最高比容量达419.8 F/g,并且在5 A/g的电流密度下经过3000次充放电循环后,容量只衰减了3.9%,表现出优异的循环稳定性和电化学可逆性。(3)将羟基氧化铁/氮掺杂碳纳米片复合材料与经过氧化处理的碳纳米管混合,经过真空抽滤制得柔性膜电极,在离子液体中测试该电极材料的电化学性能,结果显示FeOOH/NC-CNT柔性膜电极在1 A/cm~3电流密度下的体积比电容为130.9 F/cm~3。通过电容贡献定量计算,初步分析了FeOOH/NC-CNT柔性膜电极在EMIMBF_4离子液体电解液中的储能机制。为了测试材料的实际应用性能,组装了基于离子凝胶电解质的FeOOH/NC-CNT//CNT-G柔性非对称超级电容器,测试结果表明器件的电位窗口可以达到3V,最大能量密度高达9.42 mWh/cm~3,显示了其良好的应用前景和实用价值。


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