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钒基化物及其碳复合材料的制备和电化学性能研究

刘潇彧  
【摘要】:在人们对能源依赖程度越来越大的今天,用于储能的电化学装置在弥补不可再生能源枯竭方面起到越来越重要的作用。超级电容器作为电化学储能装置因其自身的优点而在运输、军事和航空航天等领域得到广泛的应用。影响超级电容器性能的关键因素之一是电极材料,因此开发高比容量、高稳定性、高功率密度的电极材料一直是研究的热点。钒基材料中的钒氧化物、钒酸铵是被广泛研究的一类电极材料。它们具有比容量高、工作电压窗口宽等优点,是优良的储能材料。但钒氧化物、钒酸铵电极材料在电子、离子传输速率及循环稳定性等方面仍然存在缺点,极大地限制了其应用。本文主要是对钒氧化物和钒酸铵纳米材料进行合成并通过包覆、复合等方法对其改性,提升其导电性、离子传输效率以及稳定性。主要研究内容如下:(1)以NH4VO3、H2C2O4·2H2O为原料,通过一步水热合成制备出了VO2(B)纳米带,并将其用作超级电容器的电极材料。所得VO2(B)纳米带在Na2SO4电解液中具有宽的电压工作窗口(-0.8~1.0 V),在放电电流密度为0.5、1和10 A·g-1时,VO2(B)纳米带的比电容分别为287、246和222 F·g-1。(2)以葡萄糖为碳源,采用水热法合成了VO2(B)@C复合材料,并研究了其作为超级电容器电极材料在LiCl电解液中的电化学性能,且与纯相VO2(B)的电化学性质进行了对比分析。VO2(B)@C复合材料中的碳壳能够降低复合材料的电荷转移电阻,但也对离子的快速传输产生阻碍。VO2(B)@C复合材料在1 A·g-1下的比容量为696 F·g-1,高于VO2(B),且循环稳定性较纯相VO2(B)也有所提高。此外,将VO2(B)@C复合材料与活性炭组装为柔性超级电容器器件,并研究了器件的电化学性能及电解液对器件电化学性能的影响。(3)通过水热法合成了VO2(B)/rGO复合材料,氧化石墨烯(GO)被还原成还原石墨烯(rGO),并研究了复合材料作为超级电容器电极材料在LiCl电解液中的电化学性能。VO2(B)/rGO复合材料中的rGO不仅能够降低电荷转移电阻,而且也提高了离子传递速度。VO2(B)/rGO复合材料在0.5 A·g-1下的比容量为915 F·g-1,高于VO2(B),且循环稳定性较纯相VO2(B)也大大提高。将VO2(B)/rGO复合材料与活性炭组装成超级电容器器件,该器件具有较好的柔性,在2000次循环后,容量保持率为90%。(4)以NH4VO3、H2C2O4.2H2O为原料,通过水热法制备出了(NH4)2V409纳米片,并将其用作超级电容器电极材料。(NH4)2V409纳米片在Na2SO4电解液中电压工作窗口为-0.6~0.8 V,在放电电流密度为0.5、1、2、3、5、10和20 A·g-1时,比电容分别为249、230、221、212、190、174 和 147 F·g-1。(5)通过水热法合成了(NH4)2V4O9/rGO的复合材料,并研究了其作为超级电容器电极材料在LiCl电解液中的电化学性能。(NH4)2V4O9/rGO复合材料中的rGO不仅能够降低复合材料的电荷转移电阻,而且可以提高材料的离子传递速率。(NH4)2V4O9/rGO复合材料在0.5 A·g-1下的比容量为348 F·g-1,高于纯相的(NH4)2V4O9,且循环稳定性较纯相(NH4)2V4O9也大大提高。(NH4)2V4O9/rGO复合材料与活性炭组装成的柔性超级电容器器件在0.5 mA·cm-2下比容量为516 mF·cm-2,同时也表现出较好的稳定性和柔性。


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