镍钴基硫化物/中空碳微球复合材料制备及其电容性能研究

【摘要】：随着现代社会的快速发展,能源危机和环境恶化的问题变得愈发严峻。因此,探索清洁和可循环利用的新能源来解决这些问题显得尤为重要。作为最具前景的储能装置之一,超级电容器具有一些特定的优势,比如卓越的循环性能、高的功率密度和快速的充放电能力,然而低的能量密度限制了它的进一步应用。本文采用St(?)ber法制备了中空碳微球,并用B、N对其进行掺杂改性;利用水热法,制备了Co S_2/中空碳微球与Ni Co_2S_4/中空碳微球复合材料,对其进行结构表征和电容性能研究,并进行了混合型超级电容器性能测试。主要研究结果如下:(1)采用以Si O_2为硬模板的St(?)ber法制备了中空碳微球(DHCM),将其作为碳源,四水合五硼酸铵(NH_4B_5O_8·4H_2O)为硼和氮源,利用水热法制备了硼氮共掺杂中空碳微球(B,N-DHCM)。研究结果发现,与未掺杂的DHCM相比,所制备的B,N-DHCM具有更好的电容特性,它在1 A g~(-1)电流密度下展现的比电容为221.5 F g~(-1),在20 A g~(-1)的高电流密度下比电容维持在104.1 F g~(-1),在3 A g~(-1)下经历10000次循环后,比电容的保持在初始比容量的91%。这良好的电容性能源自于具有大比表面积的独特双层介孔空心结构以及B和N共掺杂的改性所产生的协同效应。(2)采用油浴回流和水热两步法制备Co S_2/中空碳微球(Co S_2/DHCM)复合材料。研究结果表明,Co S_2/DHCM电极材料在1 A g~(-1)下比容量为608.7 F g~(-1),高于所制备的Co S_2电极(418.9 F g~(-1))。与Co S_2电极相比,Co S_2/DHCM复合材料所制备的电极在3 A g~(-1)下循环2000次后容量保持率为77.6%,展现了良好的循环稳定性。这增强的电化学性能归因于两组分间的协同效应。将Co S_2/DHCM作为正极,B,N-DHCM作为负极,构建混合型超级电容器,该器件在313.9W kg~(-1)功率密度下展现了28.4 Wh kg~(-1)的能量密度,在3 A g~(-1)下循环5000次后展现了82.3%的容量保持率。(3)采用油浴回流和水热两步法制备了Ni Co_2S_4/中碳微球(Ni Co_2S_4/DHCM)复合材料,并将其作为超级电容器正极材料。电化学测试显示,Ni Co_2S_4/DHCM电极显示了增强的电化学性能,在1 A g~(-1)下展示出938.4 F g~(-1)的比容量,50 A g~(-1)下拥有69.1%的容量保持率,3 A g~(-1)下循环5000次后容量保持率为77.1%。这良好的电化学性能归因于其独特的形貌结构,它促进了电解质中离子的传输,缓冲了充放电过程中的结构变化。混合型超级电容器分别以Ni Co_2S_4/DHCM和B,N-DHCM作为正极和负极来进行组装,在240.2 W kg~(-1)的功率密度下具备35.8 Wh kg~(-1)的能量密度,在3 A g~(-1)下经历5000次循环后容量保持率为85.2%。