镍钴硫化物/碳复合材料的制备及其电化学性能研究

作     者：葛赞棚 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：岳晓明

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] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超级电容器 镍钴硫化物 溶剂热法 石墨烯 复合材料 

摘      要：超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的储能装置,具有大功率密度、高比容量、长循环寿命等优点。其中,镍钴硫化物具有高比电容及原料来源丰富等优点,作为赝电容电极材料具有巨大的应用前景。但是,单一镍钴硫化物电极材料易团聚且结构易坍塌,导致其长循环性能较差,因此其应用受到限制。不同碳基材料复合Ni CoS制备综合电化学性能更优异的复合材料是本文的研究目标。本文通过溶剂(水)热法制备了Ni CoS、Ni CoS/r GO及Ni CoS/r GO-CNTs系列复合材料。通过对材料进行SEM-EDS、TEM、BET、XPS、Raman和XRD等表征测试,分析材料的形貌、结构和组成等信息,通过GCD、CV和EIS等电化学测试研究材料的电化学性能。(1)以乙二醇为溶剂,通过溶剂热法制备出具有蛋黄壳纳米颗粒的Ni CoS,并探究硫化剂(硫脲)的不同添加量对制备出的材料组成结构、微观形貌和电化学性能的影响。结果发现,硫化剂对蛋黄壳纳米球状的Ni CoS具有刻蚀作用,并且随着硫化剂添加量的增加,刻蚀程度也随之加深。当Ni、Co、S源的摩尔比为1:2:8时,制备的Ni CoS(NCS8)纳米颗粒分布均匀,其比表面积为98.88mg。三电极体系中(参比电极为Hg/Hg O,对电极为Pt),NCS8作为电极材料,电流密度在1 A g时的比电容量为1223.96 F g,其与活性炭组装成扣式电容器的比电容量为121.92 F g,器件的能量密度为38.1 Wh kg,对应的功率密度为614 W kg,循环5000次后保容率为66.9%。(2)以石墨烯(GO)为载体,制备NCS/r GO复合材料,探究不同GO添加量对复合材料组成、结构和电化学性能的影响。GO添加量为60 mg时(Ni CoS与r GO质量比为7:1),制备的NCS8/6r GO中Ni CoS以针状结构生长在r GO表面和片层间,其比表面积为25.75 mg。1 A g时,三电极体系中NCS8/6r GO复合材料的比电容值为1441.66 F g,其组装成扣式电容器的比电容量为142.54F g,器件的能量密度为44.23 Wh kg,功率密度为640 W kg,循环5000次后保容率为102.4%。与NCS8相比较,NCS8/6r GO为电极材料的电化学性能有较大提高。(3)制备NCS/r GO-CNTs复合材料。结果表明,复合材料中CNTs穿插在r GO片层和Ni CoS之间,形成三维导电网络结构,可有效限制r GO片层堆叠的发生,并为Ni CoS提供了更多的生长活性位点。当CNTs的添加量为40 mg时(CNTs与GO质量比为5:6),Ni CoS以球状和团聚的无规则块状生长在r GO-CNTs形成的三维网络结构的表面和层间。在1 A g时,NCS8/6r GO-4CNTs的比电容量为1224.3 F g,扣式电容器的比电容量为153.3 F g,器件的能量密度为47.9 Wh kg,功率密度为680 W kg,循环5000次后保容率为109%。NCS8/6r GO-4CNTs的比表面积为59.08 mg,电解质与活性物质之间的接触面积的增加,使电荷和离子的传输更为有效,其循环寿命、能量密度和功率密度较NCS8/6r GO有所提高。本论文有图81幅,表6个,参考文献150篇。