氢氧化镍纳米材料的低能耗制备及超级电容器应用

作     者：李禄斌 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王素梅

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：氢氧化镍 低温水热 微波 超级电容器 

摘      要：超级电容器作为一种绿色的储能器件,因其具有高功率密度,极长的循环寿命,快速充放电等优点而引起研究者的广泛关注。在超级电容器中,决定其性能的最重要因素是电极材料。在众多的电极材料中,氢氧化镍因其具有高理论比电容,低成本,无毒环保等特点,是一种很有潜力的电极材料。本实验采用低温水热处理和微波法两种节能制备工艺,通过调整水热温度和微波处理时间,制备出了氢氧化镍纳米片阵列并测试了电化学性能。另外,本论文还通过两步法工艺制备了氢氧化镍/氢氧化氧镍（Ni（OH）2/NiOOH）复合电极,进一步提高了氢氧化镍电极的性能。首先我们开发了低温水热工艺,利用普通的玻璃瓶替代高压反应釜在低于100 ℃的条件下下水热制备氢氧化镍纳米片阵列。XRD,FT-IR,XPS结果证明在低温下生长出了有硝酸根离子和水分子插层的α-Ni（OH）2电极材料。SEM显示所有氢氧化镍薄膜均匀覆盖在基底上呈交错的纳米片阵列。对不同水热温度下制备的Ni（OH）2电极的电化学性能测试结果表明,95 ℃水热温度下制备的样品性能最好,在1 A·g-1电流密度下比电容为1759 F·g-1,且在5000次循环后比电容留存率达85%。另外,将上述工艺制备的电极与商业活性炭负极组装成非对称超级电容器器件对其实际应用能力进行了评估。结果表明,Ni（OH）2-15//AC的电压窗口可达1.6 V,在0.4kW/kg下有44.5 Wh/kg的能量密度;在功率密度为4 kW/kg时,能量密度仍有19Wh/kg。然后我们采用微波法制备了微波时间10 min到20 min的Ni（OH）2电极,并对其进行微观结构表征及性能测试。结构测试表明微波水热合成的Ni（OH）2电极材料具有相互交错的纳米片结构,并且有水分子和硝酸根离子插层进入纳米片的层间。电化学测试结果表明,微波时间15 min样品具有最优的电化学性能,比电容在1 A·g-1下可达2516 F·g-1,且Ni（OH）2-15//AC的最大能量密度达66.7 Wh/kg。与普通水热法制备的样品相比,我们使用家用的微波炉微波仅仅处理15 min,就可以达到甚至超过普通水热法8 h以上的性能。这进一步证明了通过微波快速制备的氢氧化镍纳米片阵列电极材料具有较强的实际应用潜力。最后,以低温水热法制备的氢氧化镍纳米片阵列为基础,我们又进一步对其进行化学浴沉积,从而通过两步法制备了氢氧化镍/氢氧化氧镍（Ni（OH）2/NiOOH）复合电极。SEM测试表明Ni（OH）2/NiOOH复合电极具有在纳米片上又生长出纳米花的3D多孔结构。电化学测试表明,Ni（OH）2/NiOOH复合样品具有最高的比电容,在1A·g-1下可达3083 F·g-1,并且具有有优异的倍率性能（20 A·g-1下比电容留存65%）和循环性能（10000圈比电容留存80.5%）。最后,对Ni（OH）2/NiOOH//AC进行了两电极测试。Ni（OH）2/NiOOH//AC器件在0.4 kW/kg下有52.2 Wh/kg的能量密度,展现出了良好的能量存储能力。另外在功率密度为8 kW/kg时,能量密度仍有29.3 Wh/kg。与仅仅使用低温水热的工艺相比,在增加化学浴沉积的情况下Ni（OH）2的比电容、循环性能和倍率性能都有明显提升,显示出其巨大的实际应用价值。