镍钴氧化物/硫化物的可控制备及电化学性能研究

作     者：韩金勋 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张含卓

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] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：混合超级电容器 镍钴氧化物 镍钴硫化物 多级结构 电化学性能 

摘      要：混合超级电容器同时拥有高的功率密度和能量密度,是一种极具应用前景的新型电化学储能装置。作为混合超级电容器的关键组成部分,电极材料需要具备优良的电化学性能。镍钴类化合物具有电化学活性高、理论比电容高等优点,被认为是很有发展潜力的电极材料。但是,其仍存在实际比电容较低、循环稳定性较差的问题。作为一种简单有效的方法,对电极材料进行形貌调控来获得合适的形貌可以增加材料的比表面积和结构稳定性,进而得到高的比电容和循环寿命。基于以上分析,本文选择以四氧化三钴、钴酸镍和镍钴硫化物作为研究对象,对其形貌进行调控以提高其电化学性能。主要研究内容如下:通过水热和煅烧两步工艺,成功制备了片状和球状的四氧化三钴样品。由于片状四氧化三钴(CoO-S)的纳米片之间存在堆叠团聚,球状四氧化三钴(CoO-F)的核心部分是封闭的,导致二者的比表面积较低,因此对二者的电化学性能产生了不利的影响。与CoO-F相比,CoO-S展现出更好的电化学性能,这与其具有更高的比表面积和更高的离子扩散速率有关。CoO-S在1 A g时的比电容为284.9 F g,循环3000圈后的初始电容保持率可达87.8%。通过在水热反应中选择不同的溶剂和添加剂,分别合成了由纳米棒、纳米片和纳米颗粒组成的Ni CoO微球。在三种Ni CoO中,纳米片组成的Ni CoO(NCO-S)拥有最高的比电容(1 A g下758.9 F g),这归因于其具有更高的比表面积、合适的孔径分布和较好的导电性。组装的NCO-S//r GO HSC器件在功率密度为920.8 W kg时的能量密度可达26.2 Wh kg,在5000圈循环后的电容保持率为99.4%,表现出良好的应用前景。将所制备的三种Ni CoO通过硫化反应转化成对应的Ni CoS,并且可以继续保持硫化前所具有的纳米结构。因为硫化物有着比其对应的氧化物更好的电化学活性和更高的电导率,三种Ni CoS的比电容相较于对应形貌的Ni CoO都得到了提高。由纳米片组成的Ni CoS(NCS-S)的比表面积和电导率最高,因而在1 A g下表现出最高的比电容(947.5 F g)。由于具有更好的结构稳定性,纳米颗粒组成的Ni CoS(NCS-P)展现出最好的循环性能(94.1%)。组装的NCS-S//r GO HSC在功率密度为799.1 W kg时的能量密度可达29.9 Wh kg,5000圈循环后的电容保持率为93.3%。