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《华中科技大学》 2017年
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氧化铁基纳米薄膜储能材料与器件

王仁杰  
【摘要】:随着人们对太阳能、风能、氢能和潮汐能等可再生能源的勘探利用和新型便携式电子设备与柔性储能器件的快速发展,传统的能量存储体系已经逐渐不能满足低成本、高功率密度、高能量密度和高可靠性的综合需求。近年来,能量存储领域的研究正 在向具有新型电化学储能机理的材料和体系上转移。混合超级电容器因其独特的结构而具备高功率和高能量密度的双重优势得到了广泛研究,其中,决定超级电容器性能的主要因素是电极材料。目前,对超级电容器正极材料的研究报道已非常多,但是对其负极材料的研究却知之甚少。基于此,本文主要研究了氧化铁基纳米负极材料的电化学性质。通过表面改性和材料复合等技术提高其电化学性能;通过XRD和SEM表征分别研究其化学组成和表面形貌,期望通过结构设计为提高超级电容器性能方面提供解决思路。本文具体研究内容包括:1.以超薄钛片为基底,通过水热法和热处理技术制备了 Fe2O3负极,然后对其分别用不同浓度的葡萄糖溶液(0.05、0.1、0.25和0.5 M/L)进行碳包覆处理,得到了 Fe2O3@C电极。包碳不仅可以提高Fe2O3的导电性,而且可以减少其在水系电解液中的溶解,提高稳定性。通过对样品进行EIS测试,计算Rs值依次是2.69、2.17、3.26和3.83 Ω,小于纯Fe2O3电极的Rs值(7.77 Q),这表明:包碳处理确实可以改善Fe2O3电导率。同时研究发现:葡萄糖浓度太大会使比容量减小,但有助于改善其倍率性能。2.通过两步水热法探索在碳布上合成Fe3O4-Bi2O3复合材料的实验方法,进而通过分别依次控制二次水热时间(1、2、3、4、5和6h)、五水硝酸铋的添加量(0.5、0.75、1.0、1.25和1.5倍),探索生长的Bi2O3含量对复合电极电化学性能的影响和最佳制备条件。直接在柔性碳布上生长活性材料,不仅可以保证电极材料和集流体良好的接触,而且可以使电极具有优异的机械性能。通过在电极表面滴加葡萄糖溶液,高温退火得到Fe3O4-Bi2O3@C负极。在复合材料表面形成的“碳胶”可以缓解在恒电流循环充放电过程中重复的体积扩张,保护活性材料在液相电解液中不脱落。电化学测试结果显示,二次水热生长Bi2O3的最佳条件为:水热反应5 h,添加Bi(NO3)3·5H2O的质量为2.5875 g,即原配方质量的1.25倍。相比较于Fe3O4@C电极,复合Bi2O3后的Fe3O4-Bi2O3@C电极比容量有了极大提高,倍率性能优异。在最佳制备条件下获得的Fe3O4-Bi2O3@C复合材料电极在电流密度为1.5 mA/cm2时具有大约8243 mF/cm2的放电容量,远远高于单一Fe3O4@C电极的比容量(1698 mF/cm2)。同时,在9 mA/cm2的电流密度下循环1000次后具有首圈比容量104%的保留,具有非常优异的循环稳定性能。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB34;TM53

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