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多层次结构金属氧化物超级电容器电极材料的研究

于占军  
【摘要】: 超级电容器是一种新型储能器件。过渡金属氧化物具有优异的电化学性能且价格便宜、资源丰富、环境友好,因此近年来引起国内外科研工作者的广泛关注。本文以多层次结构的钴、镍金属氧化物为研究对象,较系统的研究合成条件及材料复合对钴、镍金属氧化物的形成、结构和电化学性能的影响,主要内容如下: 1.以水热法制备多层次结构Co3O4纳米晶微球粉末,并研究其电化学性能。结果表明, Co3O4材料是由5-10nm颗粒组成直径为1-6μm的多层次结构微球。这种多层次结构使其保持较高的活性,且具有良好的电化学性能,在4mA/cm2的电流密度下具有高达576.6F/g的比电容。 采用水热法以PEG为表面活性剂诱导制备柱状结构CoC2O4·2H2O材料,并对其进行热处理,在400℃保温3h、350℃保温1h再升温至750℃保温2h两种热处理制度下分别得到片层状Co3O4材料、有序微球多层次结构Co3O4材料。 2.采用水热法,以SDS为表面活性剂,尿素为沉淀剂制备片状α-Ni(OH)2微球材料,得到的α-Ni(OH)2材料是由厚度5nm左右的纳米片自组装形成的直径为2-10μm的多层次结构微球,比表面积高达182.9m2/g,比电容可达1772F/g。通过对片状α-Ni(OH)2微球进行热处理,在热处理温度低于250℃仍可保持α-Ni(OH)2相及形貌。由于其多层次结构及热处理温度形成的敞开夹层结构,使该材料具有良好的超级电容性能和大电流放电特性。在200℃热处理4mA/cm2电流密度下得到的α-Ni(OH)2材料比电容高达2398F/g。在300℃热处理可得到比电容达826.4F/g的NiO材料。 3.以水热法分别制备Co3O4/Ni(OH)2、CNT/Ni(OH)2、介孔碳/Ni(OH)2多层次结构复合材料,对复合材料的结构和电化学性能进行研究。结果表明,上述三种复合材料均保持多层次微球结构;通过复合比例优化,得到高比电容的电极材料。当Co:Ni=1:1,Co3O4/Ni(OH)2复合材料的比电容为899.3 F/g;当CNT含量为20%时,CNT/Ni(OH)2复合材料的比电容为2144 F/g;当介孔碳含量为5%时,介孔碳/Ni(OH)2复合材料的比电容为2191F/g。 4.利用电化学沉积法制备纳米花片状Co(OH)2多层次结构薄膜,探讨了沉积电压、沉积温度、水-乙醇比例、基底等对电化学性能的影响。通过优化工艺参数,可得到高活性的Co(OH)2薄膜材料,以泡沫镍为基底、电压-0.7V、水-乙醇(1:1)条件下沉积的Co(OH)2薄膜在100℃进行热处理后,4A/g电流密度下的比电容高达2610 F/g。


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