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《五邑大学》 2020年
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四氧化三钴和碳基纳米材料的设计及其在水系锌离子电池和超级电容器中的应用

卢永状  
【摘要】:水系超级电容器和水系锌离子电池是环保型储能装置,具有成本低、环境友好与安全性高、功率密度高等特点,有望应用于便携式电子设备、电网储能和电动汽车等领域。目前水系锌离子电池能量密度、工作电压和循环寿命等均与实际应用差距较大,而构筑高性能纳米电极材料是提高其性能的关键。然而,相比锌负极较高的理论比容量,锌离子电池正极材料的容量还有待提高。因此,设计开发具有高容量、高电压、高倍率、长循环寿命的锌离子电池正极材料至关重要。另一方面,碳材料作为超级电容器的常用电极,具有良好的导电性和稳定性。但碳纳米材料相对较低的双电层电容容量是限制碳基超级电容器进一步发展的主要因素。本论文叙述了储能装置电极材料的研究进展,针对Co_3O_4正极材料和碳纳米材料的设计制备、性能优化及其在水系储能装置中的应用展开深入研究,取得主要成果如下:1.通过在Co_3O_4纳米片中引入氧缺陷来提高其导电性和增加活性位点,显著提高Co_3O_4纳米片的储锌容量。采用简便快捷的水热法和热处理制备了Co_3O_4的纳米片,利用温和的乙二醇溶剂热法将其还原,最终得到富含氧缺陷的高性能Co_3O_4正极材料(R-Co_3O_4)。通过调控乙二醇的还原温度与时间,制备出电化学性能最佳的Co_3O_4正极材料。相比空白Co_3O_4,R-Co_3O_4具有更高的导电性、比表面积和丰富的活性位点,因此表现出更出色的容量和倍率性能。基于R-Co_3O_4正极的碱性锌钴电池的最高容量达到240.8 mAh g~(-1),具有较好的倍率性能和循环稳定性,可在不同电流密度下稳定循环10000圈。2.以葡萄糖为原料和ZnO为模板,通过水热法和KOH活化成功合成了具有高容量和稳定的纳米多孔碳(KZCC)材料。由于其优良的导电性,超高的表面积(1433.4 m~2 g~(-1))和多孔结构,KZCC获得了高达245.4 mF cm~(-2)的超高电容(电流密度为2 mA cm~(-2)),是空白样品电容值的8倍。此外,它还表现出优越的倍率性能和循环稳定性(循环10000圈后仅有1%的容量衰减)。
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