氢氧化镍纳米复合石墨烯的制备及其超级电容器的应用

作     者：黎辉常 

作者单位：华侨大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王森林;赵立平

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] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：氢氧化镍 还原氧化石墨烯 复合材料 非对称超级电容器 

摘      要：氢氧化镍由于具有较好的电化学性能和无污染等特点,在镍基二次电池(如镍氢电池、锌镍电池、镉镍电池)、电化学超级电容器、电化学传感器、吸波材料等领域中都有广泛的应用,是一类非常重要的功能材料,尤其是其作为电化学储能材料一直以来受到广泛的关注。本文主要围绕氢氧化镍表面修饰掺杂、复合、可控制备及其电化学储能性能上的应用进行探讨,并对所制备的复合材料进行结构及形貌等表征。主要研究内容如下:(1)以氢氧化钠为沉淀剂,采用一步水热法成功制备了β-Ni(OH)原位复合还原氧化石墨烯(rGO)的电极材料。Raman表明在热碱环境中经过水热反应后,氧化石墨烯被还原,导电性得到提高。FESEM分析表明复合石墨烯能有效抑制氢氧化镍纳米粒子团聚,有利于提高活性物质的利用率。电化学性能测试表明,在氢氧化镍中复合石墨烯能有效地提高材料的导电性能、增强扩散速度,降低电化学反应电阻,尤其是改善了材料的大电流充放电性能。其中,电化学性能最佳的复合材料,在1 A g时比电容为1975 F g,甚至在电流密度为30 A g时,仍具有1097 F g的比电容。(2)为提高超级电容器的工作电压,增大其能量密度,通过引入rGO作为负极,以上述制备的复合材料作为正极组装非对称超级电容器,并进行电化学性能测试。当电流密度为0.5 A g时,比电容可达97 F g;当电流密度为10 A g时,比电容还能保持64 F g,具有较好的倍率性能。该装置在3 A g下循环3000次后,其比电容保持率为74%,显示出良好的循环稳定性。而且在功率密度为0.39 kW kg时,其能量密度为32.4 Wh kg。(3)以尿素为沉淀剂,采用一种简便、可控的共沉淀法合成了具有三维介孔结构的铝掺杂α-Ni(OH)复合rGO的电极材料。通过复合rGO,大大的增加了材料的比表面积,显著增大电极材料与电解质的接触面积,从而明显改善电化学性能。其在1 A g时比电容为2558 F g,甚至在电流密度为30 A g时,仍具有1925 F g的比电容。此外,在两电极体系下进行电化学性能测试中,当功率密度为0.39 kW kg时,其能量密度为46.4 Wh kg。在3000次循环后(在3A g的电流密度下)保持72%的初始容量,显示出高倍率性能和长周期寿命。这种复合材料性能的提高归结于其独特的三维层状介孔结构。