镍钴化合物基电极材料的制备及超级电容器性能研究
作者单位：东华大学
学位级别：硕士
导师姓名：李光
授予年度：2022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] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学]
摘 要：超级电容器具有高功率密度和超长的使用寿命已经被广泛应用于电动汽车、新能源存储系统和军事设备等领域。在超级电容器的组成中,电极材料起着决定器件性能优劣的关键作用,因此电极材料的研究对超级电容器性能的提升有重要意义。镍钴化合物基电极材料具有价格低廉、合成简易、理论比容量高等优点受到了广泛的关注,但也存在本征电导率低和在长期循环中结构易发生破坏等缺点。目前构建分级结构是提高镍钴化合物基电极材料比表面积、增大活性物质利用率及维持材料结构稳定性的一种有效方法。因此,本论文在泡沫镍上制备了一系列具有分级结构的基于镍钴化合物的复合材料纳米阵列,包括具有3D多孔蜂窝状结构的NF@Ni CoO/Ni Mn-LDH纳米阵列,Ni CoO超薄纳米片与Ni Co-LDH超细纳米线构建的NF@Ni CoO/Ni Co-LDH混合阵列,以及具有核壳结构的NF@Ni Mo O@Ni CoO纳米阵列,表征了所合成材料的组成和结构信息,研究了上述材料的电化学性能与所构筑的分级结构之间的关系,并将制得的材料组装成非对称超级电容器,考察了它们在储能领域的应用前景。研究内容与结果如下:(1)通过水热反应结合热处理工艺将Ni CoO纳米片直接生长在泡沫镍表面,互连的纳米片能够形成有序的孔隙;在第二步水热反应中,将尺寸更小的Ni Mn-LDH纳米片嵌入Ni CoO纳米片所形成的孔隙中,Ni Mn-LDH纳米片与Ni CoO纳米片相互连接形成具有异质结构的蜂窝状Ni CoO/Ni Mn-LDH纳米片。在这种结构中Ni CoO相当于“栅栏将Ni Mn-LDH隔开,从而优化了Ni Mn-LDH的导电路径,增强了其电荷转移能力。此外,蜂窝状结构具有比Ni CoO纳米片更大的比表面积和丰富的孔隙结构,从而使大量的Ni CoO/Ni Mn-LDH异质界面暴露在电解液中,缩短了离子的扩散距离,促进了电解质离子与活性材料之间的有效接触。NF@Ni CoO/Ni Mn-LDH展现出了优异的比电容和倍率特性。在1 A g下NF@Ni CoO/Ni Mn-LDH的比电容可以达到3760 F g,当电流密度上升至20 A g时其倍率特性为70.5%,经过3000圈循环后容量保持率为53%。组装的器件在功率密度为850 W kg下的能量密度可以达到72.7 Wh kg。同时,器件具有良好的柔性,由其制成的柔性表带能为表盘供电25分钟以上。(2)通过水热反应并经过热处理在泡沫镍上原位生长了Ni CoO超薄纳米片,Ni CoO纳米片通过有序取向形成了互连的3D多孔网络;在第二步水热反应中,通过控制反应液的浓度制得了不同形貌的Ni Co-LDH。其中,由Ni CoO超薄纳米片与Ni Co-LDH超细纳米线构成的NF@Ni CoO/Ni Co-LDH-2混合阵列展现出了最优异的电化学性能。Ni CoO超薄纳米片和Ni Co-LDH超细纳米线之间相互接触可以增强两种材料间的联系并形成了混杂的导电网络,从而加快了电子的传输。此外,所形成的交叉构型和开放空间能够保证材料的结构在反复充放电过程中不会受到破坏。因此,NF@Ni CoO/Ni Co-LDH-2具有优异的比电容(2194 F g)和倍率特性(20 A g下为88.7%),以及出色的循环稳定性(10000圈后的容量保持率为102.7%)。组装的器件在功率密度为849 W kg下的能量密度可以达到58 Wh kg,并能够作为电源为计时器和风扇供电。(3)通过两步水热反应结合热处理工艺在泡沫镍上合成了具有核壳结构的NF@Ni Mo O@Ni CoO电极。在所构建的核壳结构中,1D Ni Mo O纳米棒作为核层为电子传输提供了快速的路径;而2D Ni CoO纳米片充当壳层能够促进电解质离子的扩散。此外,纳米片相互连接形成的有序孔洞能够缓解该复合材料在反复充放电过程中体积的变化,保证了电极材料结构的完整性。在1 A g下NF@Ni Mo O@Ni CoO的比电容可以达到1920 F g,当电流密度上升至10 A g时其倍率特性为82%,经过10000圈循环后其容量保持率为91.6%。组装的器件在功率密度为850 W kg下的能量密度可以达到54.5 Wh kg,将其作为电源能够点亮LED灯泡。此外,器件能够在弯折条件下使用,显示出良好的柔性。
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