铝/铁基电池材料的结构调控及电化学性能研究

作     者：郝树华 

作者单位：济南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵刚

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：Ni-Fe混合储能器件 柔性超级电容器 氮化铝 Fe3O4基负极 3D结构调控 

摘      要：不可再生能源的有限性和清洁发电技术(如风力发电、太阳能发电等)的普及推动了新能源电力行业的迅猛发展。然而,自然条件的不连续性和不稳定性造成新能源发电经常性缺电、弃电,因此搭配高效的电能存储装置以实现能源的最大化利用便是必不可少的解决途径。同时,人们生活需求的提高对高性能储能技术提出更高的标准,对车载储能电池的安全轻便、快充和供能密度以及持久性提出了更高的要求。如何实现能源高效的存储与取用是实现可持续发展战略的重要议题,也是解决我国目前能源问题的重要途径。超级电容器出现后,由于其出色的高功率密度和突出的快速充放电性能得到人们的青睐。高效电极材料的研发,柔韧化、微型化器件制造对新能源的持续利用、电动工具以及便携式电子市场的发展等有重要意义。立足生活,满足需求,服务社会,我们从微观组分、结构调控到器件组装着手合成了具有定向结构、优异导电性和高效充放电循环性能的铝/铁基电极材料,并将其作为负极应用于混合超级电容器。论文内容总结如下:(1)本工作为了优化氧化物的导电性,在碳纤维自生长的CFO负极材料表面合成可以增强离子传输的低结晶磷酸盐壳层,通过Cu的引入调控FeO的成核生长机制,低比表面积的纳米片(FO)结构调整为3D珊瑚结构的Cu-FeO(CFO),活性表面积得到明显提升。低结晶磷酸盐层包裹的氧化铁电极作为一种创新的负极材料在1 A g电流密度下进一步表现出117.5 m Ah g(或423 F g)的高比容量。并且组装的水系镍铁混合型超级储能器件具有1.6 V的高工作电压输出,在1 A g时输出了49.02 m Ah g的高容量,10000次连续充放电循环后的电容保持率为96.8%。此外,水系准固态储能器件的最大能量密度为45.6 Wh kg,功率密度为12 k W kg。该工作的研究意义在于揭示结构重构和低结晶磷酸盐层提升电极材料电化学行为的途径。它为高性能铁基负极的设计提供了一种创新可行的途径和优化思路,有望推动新一代柔性水系镍铁储能器件的发展。(2)氮化铝作为新一代宽带隙半导体以其独特的禁带、高热稳定性等优势成为微电子器件的重要材料。本工作以二维有机氮化碳材料为模板,通过固相反应合成了多层多孔氮化铝材料,探索出了一条模板法合成氮化铝的可行性思路。同时,具有多尺度孔隙和大比表面积的独特形态有利于其电化学储能。作为电极材料,多孔氮化铝具有独特的正负极电化学行为和良好的循环性能(三电极测试体系中10000次充/放电循环)。此外,使用中性电解质制造的氮化铝对称超级电容器(SCs)在电流密度为10 m A cm时表现出的高能量和功率密度分别为3.88μW h cm和4.25 m W cm,并且循环性能出色(10000次循环充放电后容量保留率仍为98.14%),并成功点亮发光二极管。该研究提出了一个成功合成氮化铝的方案并将氮化铝作为超级电容器的阳极和阴极材料,结果表明氮化铝作为微电子器件的重要储能材料具有巨大的应用潜力。