镍钴化合物的制备及其储能性能研究

作     者：宋鑫鑫 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈海潮;李洪亮

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：混合超级电容器 多金属电极材料 高功率储能器件 镍钴化合物 

摘      要：混合超级电容器结合了超级电容器和电池的双重优势,有望实现兼具高比能量和比功率的特性,因而在储能领域受到广泛的关注。然而,电池材料较低的倍率性能和循环稳定性导致其与电容型材料不匹配,这对混合超级电容器的实际应用仍是一个大的挑战。因此,高倍率和高循环性能的电活性材料的研究越来越受到人们的重视。本论文基于多金属离子之间的协同作用及配位阴离子的电化学调控作用,设计高性能的双金属镍钴化合物,旨在进一步提高镍钴化合物的比容量、倍率性能和循环稳定性。基于此,本文着重针对二元镍钴氢氧化物、硫化物和硒化物展开了研究,主要分为以下几个部分:(1)鉴于非晶结构更高的无序性能够提供更高的活性位点及离子扩散通道,研究不同金属组分的非晶氢氧化物。基于前驱体转化法,制备出含有不同镍钴比例的超均匀纳米球,实现了超高的电化学活性。同时,通过调控镍钴组分的含量,成功的制备出具有高电化学活性、倍率性能和循环性能的非晶氢氧化物。其中,NiCo(OH)在1 A/g时的最佳比容量为833 C/g,在50 A/g时仍保持65%的比容量。基于非晶态NiCo(OH)组装混合超级电容器,实现了优越的电化学性能,包括高比功率、高比能量和超长循环寿命。(2)通过阴离子交换反应为基础的前驱体转化法成功制备具有不同镍钴比例的多孔MS(M=Ni,Co)样品。其中,阴离子交换反应引起过渡金属离子与S的外部运动和重组,形成富含边缘活性位点的多孔微结构。镍和钴之间的协同作用使其具有优异的电化学活性,从而获得高比容量性能。MS相有助于降低电荷转移电阻,能够获得更好的倍率性能。其中,NiCoS具有最高的比容量,在1 A/g实现了高达768 C/g的比容量,在电流密度为50 A/g时,保持最初比容量的59%。此外,将NiCoS用作阴极材料与石墨烯组装混合超级电容器,同时获得高的能量密度和功率密度。(3)开发出低温硒化法合成了分等级结构的NiCoSe,这种分等级结构包括中空内部结构、三维海胆状整体形貌和非常多孔的纳米线。受益于这种分等级结构,NiCoSe表现出显著提高的比表面积,能提供更多的电活性位点,并且这种自支撑的三维结构能够与电解质良好的接触。因此,分等级NiCoSe样品具有较高的比容量、倍率特性及循环稳定性,在电流密度为1 A/g实现了高达524 C/g的比容量,并且经过3500次充放电循环后其比容量仍可保持最初的91%。此外,组装的NiCoSe//RGO混合超级电容器表现出高比能量、高比功率及超长循环稳定性,进一步证实了分等级NiCoSe的优越性能。