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NH_4Co_(0.4)Ni_(0.6)PO_4·H_2O纳米片的制备及其储能性能研究

刘春莉  
【摘要】:随着电动汽车等的发展,对能源存储器件的研究成为各大研究院所和公司的研究热点。在储能器件中超级电容器因具有功率密度大、使用循环寿命长、充放电速率快、清洁能源、对环境不会造成破坏等优点,而在航空航天、工业、手机、移动电源、公共汽车、电动车、医疗器械等领域得到广泛的应用。在超级电容的性能研究上,电极材料发挥主要作用,因此一直是研究的重点和热点。其中,金属磷酸盐NH_4Co_(0.4)Ni_(0.6)PO_4·H_2O属于正交晶系,具有典型的层状结构,这种层状结构为电荷的迁移和运输提供了更多的通道。同时NH_4Co_(0.4)Ni_(0.6)PO_4·H_2O晶体拥有Co~(2+)和Ni~(2+)双金属元素,在发生氧化还原反应时能产生磷酸钴铵和磷酸镍铵来进行能量的储存。本论文以溶剂热法制备NH_4Co_(0.4)Ni_(0.6)PO_4·H_2O微纳米材料,并以甲酰胺为溶剂剥离制备层状的二维材料。通过多种表征手段对比了剥离前后材料的形貌及结构变化。在三电极体系下测试了材料的相关性能,并进一步将剥离0天(0D)和剥离4天(4D)样品组装成NH_4Co_(0.4)Ni_(0.6)PO_4·H_2O//AC(活性炭)储能器件进行测试,表现出良好的储能性能。(1)采用Co(NO_3)_2·6H_2O和Ni(NO_3)_2·6H_2O分别为钴源和镍源,(NH_4)_3PO_4·3H_2O为铵源和磷源,乙二醇为溶剂,未添加其他的稳定剂和表面活性剂,通过一步溶剂热法成功制备出了多层块状的NH_4Co_(0.4)Ni_(0.6)PO_4·H_2O微纳米材料,制备出的材料颗粒大小均匀、材料纯度高、结晶度好。(2)通过SEM表征测试发现通过溶剂热法制备出的材料长为10~16μm,宽为4~6μm,呈多层片状结构,导致材料的导电性和比表面积较小。因此本论文采用液相剥离的方法对材料进行剥离。通过对几种溶剂的对比,最终剥离溶剂选取了甲酰胺,并研究了剥离时间对剥离材料形貌和性能的影响,对比了剥离0天、2天、4天、8天、14天的样品,分别命名为0D、2D、4D、8D、14D。通过SEM、TEM、XPS、AFM、BET、ICP、XRD、拉曼等多种表征手段对剥离前后的样品形貌与结构的变化进行了分析。剥离后样品的尺寸和厚度明显减小,结晶度加强。根据BET测试结果,比表面积从8.680 m~2 g~(-1),提高到10.827 m~2 g~(-1),比表面积显著增加。(3)在三电极体系下对材料进行了储能性能测试。在扫描速率为10 mV s-1时,由CV图中计算得出NH_4Co_(0.4)Ni_(0.6)PO_4·H_2O活性物质的比电容分别为1086 F g~(-1)(0D)、1233 F g~(-1)(2D)、1381 F g~(-1)(4D)、1348 F g~(-1)(8D)和1345 F g~(-1)(14D),通过定量计算可知,4D样品的性能最好。对材料进行倍率性能测试,在1 A g~(-1)至20 A g~(-1)电流密度下,当电流密度达到20 A g~(-1)时,4D样品的比电容保持率为79.7%,说明在大电流快速充放电情况下可以保持良好的倍率性能。进一步将0D和4D样品组装成NH_4Co_(0.4)Ni_(0.6)PO_4·H_2O//AC储能器件,发现由4D材料组装的器件,功率密度为703.1 W kg~(-1),能量密度为10.8 Wh kg~(-1),而由0D材料组装的器件,功率密度为693.6 W kg~(-1),能量密度为8.4 Wh kg~(-1),这说明剥离的确可以提高储能材料的功率密度和能量密度。对NH_4Co_(0.4)Ni_(0.6)PO_4·H_2O//AC储能器件进行循环稳定性测试,由0D和4D材料组装的储能器件在循环10000圈后放电电容分别保持为117.1%、102.3%,显示出良好的结晶性和稳定性。


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