多级钴基材料的合成及其在超级电容器中的应用

【摘要】：随着世界能源问题的不断严峻,电化学超级电容器作为新兴的储能装置得到了人们广泛的研究与关注,其在解决能源短缺问题上扮演着至关重要的作用。本论文追溯了电化学超级电容器技术的发展历史,探究了其工作原理,讨论了超级电容器的理论基础,并介绍了超级电容器在实际生产中的应用以及目前得到普遍认可的超级电容器电极材料。为了弥补目前绝大部分电池低功率密度的缺点,制备出既具有高能量密度又拥有高功率密度的储能材料,人们不断开发探索更高效的超级电容器电极材料。通常,评价一个超级电容器电极材料需要遵从以下三个标准：高效的电化学性能(以单位质量／单位体积或单位面积的能量密度为标准),较大的倍率性能(在较高的电压扫速或电流密度下可释放出的电容量)以及较稳定的循环稳定性。除此之外,应用与超级电容器的电极材料的抗毒性与制备成本也是评价一个材料是否优秀的标准。近期一些研究主要将重点放在了对电极材料结构的调控上,制备了一系列多级纳米结构电极和多孔纳米结构电极,这种电极由于拥有其它粉末或块体电极不可比拟的结构上的优势,其电化学储能性能得到了大大的提升。本论文首先通过温和的水热法合成了一种新型的超级电容器电极材料,利用简单的碱刻蚀法,从Co(OH)2@CoAl水滑石纳米阵列得到了钴基多孔水滑石(PLDH)纳米阵列。这种多孔阵列结构电极不仅加快了电极与电解液界面电子传输速率与传质速率,而且有效的增大了电极活性物质与电解质的接触面积,这种结构上的优势使电极电化学性能得到了加强,其比电容达到了23.75 F cm-2 (1734 F g-1),且在5000圈循环后容量仍可保持在85%,体现了该电极材料优异的循环稳定性。为了验证这种钴基PLDH纳米阵列电极在实际应用中的可行性,我们使用样品Co(OH)2@PLDH-18作为正极材料,活性炭(AC)作为负极材料,搭建了一个非对称超级电容器。这种性能优秀的新型电极材料在电化学储能应用中未来将可得到广泛应用。另一方面,我们利用一种简单、低成本且环境友好的合成方法制备了以泡沫镍为基底的Co3O4@MnO2核壳结构纳米阵列电极。由于介孔C0304纳米线阵列具有较高的导电性,我们将其作为“核”,并在C0304纳米线外部包裹超薄枝状Mn02纳米片作为“壳”。这种电极材料由于不仅具有优秀的本征活性,且复杂的核壳多级纳米阵列结构进一步提高了其电化学活性。Co3O4@MnO2核壳|纳米阵列电极表现出了较高的储能特性(977 F g-1)以及良好的的循环稳定性,在5000圈充放电循环后仍保持了94%的容量。这种新型电极材料不仅满足了人们对电化学超级电容器的各项评价标准,而且对未来科研工作者进一步研究与开发其它应用于超级电容器中的电极材料起到了启发作用。