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《中国矿业大学》 2018年
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脱合金法制备Co、Fe和Cu的金属氧化物及其电化学性能的研究

王冉  
【摘要】:超级电容器是一种具有高功率和长寿命的储能器件,在航天航空、现代通讯、电动汽车和国防等诸多领域实现了不同程度的推广和应用,但是超级电容器的能量密度较低,如何在保证其高功率密度和长循环寿命优势的前提下,提高超级电容器能量密度是当今研究的热点。混合型超级电容器是一种介于电容器和二次电池之间的新型储能器件,它同时具备超级电容器和二次电池的特性,可以在大电流密度工作下获得高的比能量密度。本论文主要是围绕研制具有高功率密度和能量密度的混合型超级电容器,在过渡金属氧化物电极材料的可控制备、电极结构设计、电极材料的储荷机理以及水系对称超级电容器的构建,和具有柔性和机械稳定性的柔性全固态超级电容器的设计制备及其实际应用等方面开展了一系列原创性的研究。论文的具体研究内容如下:1 Co3O4纳米结构的设计及其电化学性能研究:采用原位脱合金辅助氧化方法制备Co3O4电极材料,通过调控Na OH水溶液的浓度和温度来控制Co3O4纳米形态结构,分别制备出Co3O4六方纳米片、纳米片阵列、纳米花、纳米球等结构,椭圆纳米球的面积比电容最高(16.58 F cm-2),纳米花状结构次之(9.27 F cm-2),但在循环稳定性的方面,纳米花状结构表现出良好的结构稳定性。2 Cu2O/CoO纳米线阵列电极的设计及电化学性能研究:实验以选择性原位脱合金辅助氧化法合成以纳米多孔Cu/Co合金为基底的Cu2O/CoO-NNAs电极材料。该电极材料无需导电剂和粘结剂,具有良好的机械稳定性和一体性。以Cu2O/CoO为电极,Na2SO4为电解液组成的水系对称超级电容器具有优异的电化学性能。在5 m A cm-2电流密度下器件的比电容为0.21 m F cm-2,在高电流密度10 m A cm-2下循环10000次后比电容基本保持不变。对称超级电容器的最大体积能量密度为0.81 W h cm-3,最大体积功率密度为3 W cm-3。3 Co3O4//γ-Fe2O3全固态柔性ASC的设计及其电化学性能研究:采用电弧熔炼及甩带的方法,制备Al71Fe29和Al65Co35合金带,再通过干法球磨的方法控制前驱体粉末颗粒的大小,并优化脱合金参数来控制正负电极材料的微观尺度,简单快速大批量的制备出Co3O4纳米片和γ-Fe2O3纳米颗粒。组装成的全柔性全固态ASC能在0-1.7 V之间进行性可逆的充放电。Co3O4//γ-Fe2O3全固态ASC最大功率密度为8.5 k W kg-1,最大能量密度为38.01 W h kg-1。在4 A g-1电流密度下经过5000次充放电循环后比电容量仍能保持80.1%。在器件歪曲CV测试中,曲线基本没有发生变化表现出优异的电化学稳定性,同时对器件进行串并联组合可满足实际使用的电子器件的能量储存。4 Cu2O//AC全固态ASC设计及其电化学性能研究:采用脱合金辅助氧化法快速大批量的制备Cu2O纳米颗粒,其具有较高的比表面积,可为离子提供较多的氧化还原位点来提高电化学性能。在0.5 A g-1电流密度下的电容为210.9 F g-1,在3 A g-1的电流密度下5000次循环电容保持率高达93.3%。Cu2O//AC柔性全固态ASC可在0-1.65 V之间可逆充放电。器件具有良好的柔韧性,在不同的歪曲度CV测试中,器件同时保持良好的电化学稳定性。四个串联组合的器件为LED灯珠提供电源,证明其具有潜在的实际应用价值。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O611.62;TM53

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