MgCo2O4电极材料的可控制备及其超级电容器性能研究

作     者：吴润泽 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐春菊;冯应轩

授予年度：2022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：MgCo2O4 超级电容器 电池型电极材料 电化学性能 

摘      要：在过去的几年里,超级电容器作为一种电化学储能(Electrochemical energy storage,EES)系统因其在卫星通信系统、微电网和混合动力电动汽车中的广泛应用而受到越来越多的关注。尤其是由电池型和电容型电极构建的混合超级电容器(Hybrid supercapacitors,HSCs)或非对称超级电容器(Asymmetric supercapacitors,ASCs),结合了电池型正极材料的高容量和双电层电容(Electric double layer capacitive,EDLC)负极材料的宽电压窗口优点,通常表现出优异的电化学性能。然而,电极材料结构稳定性较差和能量密度较低,可能会限制其在一些需要高倍率和长寿命储能领域的实际应用。MgCoO作为一种二元过渡金属氧化物,以其理论容量高、环境友好、相对丰富的镁天然储量等优点,是当前超级电容器领域的一个重要研究课题。在本学位论文中,我们采用不同的方法合成了具有不同结构的钴酸镁电极材料,具体研究内容如下:(1)通过在190℃进行的一次和两次溶剂热反应,分别合成了微球状MgCoO(MCO-1)和含有少量微球的纳米片状MgCoO(MCO-2)电极材料。MCO-1和MCO-2材料均具有很大的比表面积,分别为69.4和52.8 m g。MCO-2在1 A g下具有375.5 C g的比容量,并在10 A g下表现出74.9%的倍率;MCO-1在1 A g和10 A g的电流密度下,比容量分别为276.3和216.2 C g。以MCO-2(MCO-1)为正极、活性炭(Activated carbon,AC)为负极组装了HSC器件,这种HSC具有1.75 V的工作电压窗口。MCO-2//AC HSC在950.6 W kg功率密度下有着35.4 W h kg的能量密度;在8905.0 W kg的功率密度下时,能量密度仍能保持25.8 W h kg。相比之下,MCO-1//AC HSC在功率密度为1048.0 W kg时的能量密度为32.4 W h kg。在6 A g下循环6000次后,MCO-1//AC HSC和MCO-2//AC HSC的比容量都未发生衰减。(2)采用简单的水热法在不锈钢片表面生长了MgCoO纳米片(Nanoflakes,NFs)和MgCoO纳米线(Nanowires,NWs)电极材料。这两种MgCoO材料均具有介孔结构,电化学测试证明了它们具有电池型电极材料的特性。从钢片上剥离下来的MgCoO NFs粉末在1 A g时表现出424.98 C g的高比容量;相同电流密度下,MgCoO NWs的比容量为351.17 C g。由MgCoO NFs(NWs)和AC作为正、负极组装了ASC器件。MgCoO NFs//AC ASC具有优异的电化学性能,例如高达146.10 C g的比容量;在6 A g下循环5000次后容量保持率为108.28%的长寿命循环稳定性;在1012.80 W kg的功率密度下具有41.10 W h kg的高能量密度。基于MgCoO NWs组装的ASC器件在1063.16 W kg功率密度下的能量密度为36.97 W h kg。(3)通过在140℃水热反应9 h和随后的煅烧处理,成功地在泡沫镍骨架上生长了MgCoO NWs和微立方体(Micro-cubes,MCs)。在这种合成方法中,当制备工作电极时不再需要添加导电剂和粘结剂。在工作电极制造过程中。当电流密度从1增加到10 A g时,MgCoO NWs@NF表现出389.0 C g的比容量以及86.2%的倍率;相同条件下,MgCoO MCs@NF则具有273.2 C g和64.4%的倍率。以活性炭AC为负极组装的HSC进一步揭示了这种电极材料的优势:在6 A g下循环5000次后,MgCoONWs@NF//AC HSC表现出良好的长期循环稳定性,容量没有任何衰减;并且在功率密度为958.1 W kg时能量密度达到37.9 W h kg;MgCoO MCs@NF//AC HSC在887.2W kg时的能量密度为30.4 W h kg。