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《兰州大学》 2019年
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Co_3O_4纳米结构制备及超级电容性能研究

张向向  
【摘要】:随着现代科技飞速发展,能源问题日益突出。在对多种能源存储器件研究与开发的同时,超级电容器由于其自身独特的电化学性能被科研工作者广泛研究。作为与电池性能互补的器件之一,其具有绿色环保、循环稳定性好、高功率密度以及快速充放电等优点,目前在航天航空、城市交通以及能源动力系统均有大量的应用。但是与其他储存器件相比,超级电容器由于自身的能量密度较低,远达不到工业发展的需求而严重限制了其应用。除此之外,对电容器电极材料的研究也面临着瓶颈,主要的原因就是负极材料的研究相对比较滞后,不能满足高性能超级电容器的需求。Co_3O_4作为一种常见的过渡金属氧化物,因其自身的电化学性质,可以被应用于超级电容器的负极。不同形貌与结构的Co_3O_4纳米材料,表现出的电化学性质也不尽相同。本论文着手于超级电容器负极材料的制备与比电容性能研究,选择Co_3O_4作为研究对象,在不同的实验条件下制备出不同纳米结构的电极材料并对其电容性能进行测试。研究的具体内容如下:(1)采用水热法并结合热分解法,分别获得了六方薄片组装的球状Co_3O_4纳米结构以及海胆状Co_3O_4纳米结构。实验结果表明:添加剂PVP和尿素的含量直接影响生成物的形貌。在不同添加剂的含量下,获得的生成物其形貌均不相同。对于获得的六方薄片以及组装结构的前驱体经过空气气氛下退火后,其终产物都表现出了多孔状。为了研究退火温度对海胆状前驱体形貌的影响,我们选择不同的温度对前驱体进行热处理,最终确定其最佳的退火温度为400℃。将六方薄片组装的球状结构和海胆状纳米结构粉末终产物通过刮涂法制备成单电极,电化学测试结果表明两种结构的Co_3O_4各自拥有独特的比电容性能。(2)在水热体系中加入泡沫镍,使其生成Ni基自支撑结构,省去刮涂过程,避免引入导电活性剂等对电容没有贡献的死质量,从而提高整个电极系统的性能。对于生成的Ni基海胆/纳米线状Co_3O_4自支撑结构,经过CV、GCD和EIS测试发现:该自支撑结构电极相比刮涂电极,表现出更优越的比电容值和倍率性能。由于制备过程的影响,终产物Ni基自支撑结构存在断层现象,因此EIS谱表现出1.28Ω的体电阻。为了消除这种较高的体电阻,使用乙二醇作为络合物分子替代丙三醇参与水热反应,生成Ni基发射状介孔Co_3O_4纳米线自支撑结构前驱体。SEM表征图像发现断层现象明显减少,电化学测试结果表明:该电极在2mVs~(-1)时,比电容约为2477 Fg~(-1);并且在10 Ag~(-1)时恒电流充放电5000次前后的EIS谱图上表明其体电阻由循环前的0.92Ω增加至0.96Ω,这样微小的变化进一步表明该纳米结构的稳定性。(3)分别采用Co(NO_3)_2×6H_2O和Ce(NO_3)_3×6H_2O为钴源和铈源,经过适当的水热反应条件获得Ni基Co_3O_4/CeO_2复合纳米自支撑结构电极。由于两种赝电容氧化物的协同作用以及独特的电极结构,其电化学测试结果表明:复合纳米线结构电极在电流密度为1 Ag~(-1)时,比电容可高达1179 Fg~(-1)。为了研究该电极在非对称器件中的能量密度以及性能表现,将其与活性炭组装成非对称器件,通过CV和GCD的测试后的结果表明:当能量密度为20 W h kg~(-1)时,其功率密度为176 W kg~(-1);当能量密度衰减至12 W h kg~(-1)时,其功率密度增加至为1413 W kg~(-1)。其优越的性能表现,可以满足未来高性能超级电容器负极材料的需求。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM53;TB383.1;O614.812

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