碳/镍多级结构的构筑及其电容特性研究

【摘要】：超级电容器作为高存储、高转换的新型储能器件,具有充放电速度快、循环寿命长及功率密度高等特点。然而低的能量密度极大地阻碍了超级电容器大规模应用,其中电极直接决定了它的存储能力。超级电容器常用双电层材料和赝电容材料作电极材料。商业的石墨和碳黑等双电层材料具有高导电率、大比表面积等特点,但其比容量较低。虽然赝电容材料的理论比容量高,但其在充放电中结构易破坏,导致倍率性能较差。以上问题制约了超级电容器向高能量密度储能装置的发展。为实现高性能的电极材料,我们一方面可设计材料的微纳结构,提高比表面积、电子传输速率和电化学稳定性等;另一方面可研发新颖的高比容量电极材料。此外,构筑非对称电容器扩展工作电压,有利于能量密度的提升,从而获得高比能量的超级电容器。近年来,电子设备逐渐向轻便化及可穿戴发展,这对柔性化的储能器件提出了更高的要求。本论文重点从设计电极微观结构和制备电极材料的方法出发,深入探讨合成机理、构效关系以及电化学性能等之间的联系。同时兼顾非对称电容器的简便、高效构筑。我们选取多级结构的碳/镍复合材料为研究对象,并进行超级电容器测试。以乙醇为碳源,镍单质作催化剂生长碳纳米管后均匀分散在碳纳米管导电骨架中,然后通过电化学氧化将其转变为赝电容特性的羟基氧化镍。碳材料和赝电容材料两种机制的协同效应有效地改善了单一材料的电化学性能。另外,引入柔性、自支撑的碳纤维作集流体既能避免使用不导电的粘结剂,又有望用于柔性储能器件。基于碳/镍多级复合材料,我们提出“一材两用”的新概念,即同种电极材料作为非对称电容器的正负两电极,实现了简便构筑非对称超级电容器。