铁钴镍基化合物多级结构的制备及其电化学储能机理研究

作     者：闫天祥 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹少魁

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：磷酸钴 镍钴氧化物 多级结构 磷化铁 电化学储能机理 全固态超级电容器 

摘      要：超级电容器因为使用寿命长、充放电速率快等优点备受关注,但能量密度低的缺陷严重限制了它的广泛应用,开发高能量密度、高功率密度的超级电容器成为亟待解决的问题。电池型材料,如过渡金属氧化物、磷化物、磷酸盐等,作为超级电容器电极材料时因为能够提供高能量密度具有巨大的应用潜力。但是,过渡金属磷酸盐的倍率性能不尽人意,这是因为电池型材料中扩散控制主导的氧化还原反应决定其在高电流密度下的表现受到物质扩散的限制。目前针对电极材料进行纳米化设计以增强其与电解液接触的做法,能够提升材料的倍率性能,却因为过程繁琐、成本高而无法广泛应用。通过构筑多级结构以增强电池型材料表面电容行为的做法为电极材料提供快速可逆的法拉第反应,可以在保证电极高功率密度的同时,有效提升其能量密度,然而目前很少有研究关注于此。本文通过一步水热反应制备了剑麻状Co(PO)/Ni-Co-O@泡沫镍(NF)多级结构自支撑电极(CPNO-12)。得益于多级结构的构筑,电极具有表面电容行为高、质量比电容高、单位面积负载量大(10 mg cm)等优点。为了匹配正极的高比电容,本文还通过水热反应、高温磷化制备了高性能负极:FeP/石墨烯@NF(FPGH)。由CPNO-12、FPGH作为电极、PVA-KOH为固态电解质组装的全固态超级电容器经测试能够保证高功率密度的同时输出高质量、体积能量密度。此外,本文对上述制备的材料和器件进行了一系列的表征和电化学测试,研究结果如下:(1)XRD、XPS、Raman、FT-IR等仪器显示CPNO-12组成为NF、Co(PO)、Ni-Co-O。时间梯度SEM表明CPNO-12的形貌随时间演化,EDS显示内部板状结构和表面片层网络分别归属于Co(PO)和Ni-Co-O。FE-SEM、TEM、N解吸附测试显示材料具有微孔、介孔、大孔组成的分级孔隙结构。电化学测试证实CPNO-12具有优异电化学性能:5 m A cm下获得2820 F g(28200 m F cm)的极高质量、面积比电容;5～100 m A cm下,保留37.8%的初始电容,远高于对比样品;在50 m A cm下,12000圈循环后保留90.9%的初始电容。此外,在机理分析中,CPNO-12表现出表面电容行为增强的电化学行为,在0.5 m V s下获得34%的电容贡献,表面电容行为的理论电容贡献则高达24%。(2)XRD揭示FPGH的组成为石墨烯、FeP、泡沫镍。SEM显示鱼卵状FeP团簇锚定在石墨烯片上,构成多级结构。电化学测试表明FPGH具有较高的质量、面积比电容:3 m A cm下输出570 F g(1140 m F cm)的电容。(3)电化学测试显示组装的全固态超级电容器在400 W kg(80 m W cm)下输出95 Wh kg(32 m Wh cm)的能量密度,具有能量、体积能量密度双高的特点。通过5 V LED灯组、5 V电动风扇的成功点亮和驱动,证明器件具有优异的实际应用潜力。