钴掺杂的氮化钨电极特性及超级电容性能研究

作     者：赵俊峰 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈明华

授予年度：2021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：氮化钨 钴掺杂 超级电容 

摘      要：随着人类社会的不断进步,对便携式储能设备的需求越来越多。电池和超级电容是其中使用最为广泛的,超级电容由于功率密度高,稳定性好,在能源汽车等领域被广泛关注。WN作为过渡金属氮化物,其本身具有优秀的稳定性和导电性,是很有前景的一种超级电容电极材料,本文通过掺杂改性,电化学测试等一系列手段对其进行了研究,内容如下:通过水热法在碳布上生长了不同浓度钴元素掺杂的氧化钨,再通过氨气氛围下退火制备了不同浓度钴掺杂的WN,在钴元素占比为10%时WN发生了形貌的改变,由纳米棒变为了纳米线结构。在0.5 M HSO溶液中通过三电极法测试发现,在形貌改变前后(5%,10%)的钴掺杂WN具有优异的性能,电压窗口为-0.3到0.2 V,比电容分别为2620.8 m F/cm,3418.4 m F/cm,均可在10000圈的循环中保持87%以上的容量,具有单个超级电容电极的优异性能。而原始的WN只有379.2 m F/cm的容量,证明钴元素的掺杂有效改进了WN的性能。对钴掺杂(5%,10%)的WN分别组装了不同种类的超级电容,寻找最佳的性能。首先组装的对称超级电容由于有限的电压窗口区间(0.5 V),最高仅有12.6μWh/cm的能量密度。为了提高其电压窗口,本文匹配了不同的正极来组装非对称超级电容。磷酸铁锂(LFP)正极可以成功将超级电容电压区间扩展到1 V,但是由于本身较低的比电容,组装后的器件只能达到16μWh/cm的能量密度。之后本文通过化学浴法在碳布上生长了聚吡咯(PPY)作为超级电容的正极,使得器件可以在1.3 V的电压窗口下达到108μWh/cm的功率密度和5.2 m W/cm的能量密度,并且在10000圈的循环中保持85%以上的容量。