镍钴基金属磷化物电极材料的制备及其超电容性能研究

作     者：唐海琳 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙智

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：超级电容器电极 镍钴基磷化物 协同效应 电化学性能 

摘      要：超级电容器与电池和燃料电池相比具有一些独特的优势,例如,快速地充/放电、寿命长(10000次)、功率密度高,在学术界和工业界引起了相当大的兴趣,并且超级电容器电极材料的研发成为了研究者着重研究的热点。而超级电容器的核心部件是电极材料,其直接决定了电容、能量密度和功率密度,但是超级电容器具有能量密度低的缺点,所以设计高比电容的电极材料是解决该缺点的关键所在。对于过渡金属磷化物,不仅具有催化性能而且具有储能性能,当它作为储能器件时,具有大通道和空腔的开放框架结构赋予电极材料良好的离子传导性和电荷存储能力。但是目前过渡金属磷化物存在的问题是合成过程复杂、在碱性电介质中测试时倍率性能和循环稳定性能较差,因此限制了过渡金属磷化物在实际应用的发展。本论文以镍钴双金属磷化物为研究对象,通过改进合成方法和改善微观形貌结构,提升比电容和增强在充放电过程中的结构稳定性。具体内容如下:1、设计分步电化学沉积法在泡沫镍上制备磷化物电极材料,且探究了不同电化学沉积时间下对形貌的影响和镍钴双金属的协同效应对性能的影响。经过对微观形貌、组分和电化学性能进行比较,观察到在30 min电化学沉积时间下制备的NiP@CoP复合材料,在电流密度为1A g时的比电容为654 F g。在经过10000次循环后,比容量保持为原有的73.8%。2、通过电化学沉积-脱合金和水热反应在泡沫镍上制备的针状结构进而交错互联形成纳米片状结构的Ni@NCP电极材料。电化学沉积-脱合金制备的空心Ni纳米管与镍钴双金属磷化物的协同作用不仅优化形貌而且还充分利用各自的优势。空心Ni纳米管起到支撑作用,水热反应合成的纳米片在电解液中暴露出丰富的活性位点,改善导电性差的问题,为离子的传输提供大量的路径,从而提升电化学性能。其中Ni@NCP电极材料在1 A g时,比电容为980 F g,到20 A g时为640 F g,为初始比电容的65.3%。经过10000次循环后还能保持为原有比容量的80.1%。3、在多活性位点的树枝晶基底上面通过一步电沉积制备多孔的超薄Cu@NCP电极材料。因为在树枝晶Cu骨架上合成的镍钴磷纳米片阵列结构,提升了电极材料在离子传输时的“有效比表面积。而且在电解液中多活性位点的Cu@NCP增加了离子传输的高速途径和缩短了电子在反应过程中的传输距离,从而使电极材料在充放电过程中的体积变化得以控制。实验证明Cu@NCP电极在1 A g时具有可观的比电容(3212 F g),优秀的倍率性能(在20 A g的2960 F g,为初始比电容的93%)和优异的循环稳定性(在进行10000次的循环后,比容量仍能保持为初始比容量的90.6%)。