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过渡金属化合物电极材料的制备及在超级电容器中的应用

徐睿  
【摘要】:超级电容器以其高功率密度、高充放电效率和长循环寿命等优点,在高效储能领域有着广阔的应用前景。电极材料作为电容器的主要组成部分,也是影响电容器电化学性能的关键所在,如何提高电极材料的比电容、导电性、循环性能和深入透彻的理解其储能机理是制备高能量密度电容器的重要问题之一。其中,纳米尺寸的过渡金属材料由于其丰富的自然储量、强的导电性、大的理论比电容等特点,在过去二十年里获得了广泛的应用发展。然而,对于多数过渡金属化合物来说,实际比电容低、能量密度差以及循环寿命短的劣势却限制了它们广泛的商业化应用。针对以上问题,本论文在基于绿色环保、成本低廉、功率密度大、导电性强的基础上着重在比电容、循环寿命两方面对电极材料进行改进。另外,通过组装成非对称超级电容器(ASC)来拓宽超级电容器的电位窗口,进而解决能量密度低的问题。本论文的主要研究内容如下:(1)通过改变阳离子反应物的比例,利用水热合成法在泡沫镍基底合成出不同的镍钴基化合物(NiCo_2S_4/NiS中空纳米微球和NiCo_2S_4/Co_9S_8纳米棒),并对镍钴基化合物的电化学性能进行系统性的研究。由于结构的合理性和导电的优良性,NiCo_2S_4/NiS//AC ASC获得了43.7 Wh·kg~(-1)的能量密度和94.8%的初始比电容保留值(3000次);NiCo_2S_4/Co_9S_8//AC ASC成功获得了49.6 Wh·kg~(-1)的能量密度以及11%的初始电容损失值(5000次)。(2)通过调整合成路线,采用水热和煅烧法在泡沫镍基底成功合成出NiMoO_4/NiO纳米花。该材料具有较大的比表面积以及较高的粗糙度,可为电化学反应提供较多的活性位点。在三电极体系下测试,NiMoO_4/NiO得到了10.3F·cm~(-2)/1982.3 F·g~(-1)的比电容,且所组装的NiMoO_4/NiO//AC ASC也具有38.0Wh·kg~(-1)的能量密度。(3)采用水热、硫化两步,在3D泡沫镍基底合成了CoMoO_4/Co_9S_8纳米棒列阵。通过对所制备电极进行电化学测试,其具有较高的比电容(9.2F·cm~(-2)/2059.3 F·g~(-1))、较强的导电性以及91.4%的循环性能(3000次)。此外,组装的CoMoO_4/Co_9S_8//AC ASC也获得了42 Wh·kg~(–1)的能量密度。(4)以二甲基咪唑为有机配体,在水相中成功合成出Ni/Zn-MOF前驱体,随后通过热处理、硒化制备出具有较大比表面积、较高导电性的Zn掺杂NiSe_2材料。压片法制备的NiSe_2/ZnSe电极在3 A·g~(-1)电流密度下测试,比电容值为884.50 F·g~(-1);且以其为阳极组装成NiSe_2/ZnSe//AC ASC,在400 W·kg~(-1)功率密度下测试出45 Wh·kg~(-1)的能量密度。


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