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镍基化合物的制备及超级电容器的性能研究

镍基化合物的制备及超级电容器的性能研究

作者：张学涛齐鲁工业大学

学位级别：硕士

由高功率密度的超级电容器驱动的卡车、公共汽车以及电动汽车逐渐被广泛应用。然而超级电容器的能量密度仍然低于电池等储能器件使其实际应用受到了限制。因此构建混合型超级电容器(正极通过法拉第反应存储电荷负极通过静电作用存储电荷... 详细信息

由高功率密度的超级电容器驱动的卡车、公共汽车以及电动汽车逐渐被广泛应用。然而超级电容器的能量密度仍然低于电池等储能器件使其实际应用受到了限制。因此构建混合型超级电容器(正极通过法拉第反应存储电荷负极通过静电作用存储电荷)是解决低能量密度的一种手段。在超级电容器领域,具有良好电化学性能以及高理论比容量特点的镍基化合物是一种理想的正极材料。镍基化合物是典型的电池类型材料,循环稳定性是制约其发展的重要因素,此外电导率差的特点也会影响其实际比容量。在各种碳材料中,生物质衍生碳由于其丰富、可持续性和无毒性的特点成为制备混合型超级电容器负极材料的新方向。同时生物质活性炭拥有良好的比表面积、孔隙率以及导电性有利于改善镍基材料的电化学活性和稳定性。综合生物质炭和镍基化合物材料的特点,本课题通过调控材料形貌以及与高导电性的生物质炭材料复合等策略提升镍基化合物材料的导电性、比容量和循环稳定性。最后将改性后的镍基化合物材料用于水系混合型超级电容器来拓宽工作电压,进一步提升能量密度。主要研究内容如下:(1)不同金属氢氧化物组成的的层状阴离子插层材料称为层状双金属氢氧化物(LDHs)。在各种LDHs中,由于NiCoLDH丰富的法拉第反应引起了人们的广泛关注。然而,NiCoLDH的比容量仍然受充放电过程中活性中心减少和电导率低的限制。杨絮作为一种典型的生物模板,在设计用于混合超级电容器的互连多孔碳(IPC)方面具有很大的潜力。收集到的天然杨絮经过脱脂、盐处理、碱处理以及高温煅烧后获得了不同于原始杨絮形貌的3D多孔网状结构。然后,通过水热在多孔网状结构生物炭的表面生长了NiCoLDH,并将其用作超级电容器电极材料。NiCoLDH/IPC电极比NiCoLDH电极(1 A g为209.7 m Ah g)具有更好的电化学性能(1 A g为148.6 m Ah g)。此外,用制备的NiCoLDH/IPC正极和IPC负极组装了混合型超级电容器。与NiCoLDH||IPC相比,NiCoLDH/IPC||IPC提供了更高的能量密度29.6 Wh kg和良好的循环稳定性(4000圈循环后容量保持率为88%),这是由于引入了具有发达多孔结构的IPC协同改善了NiCoLDH的电化学性能。(2)过渡金属硫化物由于其良好的电导率、理论比容量和热稳定性,得到了广泛的研究。以生物酵母为碳源,合理设计合成新型NiS/NCS二元杂化微球。研究发现,生物酵母在水热过程中需要使用GA溶液作为交联剂来抑制高温高压条件下细胞膜的水解促进碳化过程保护NCS的形貌结构。除此之外,生物炭的引入和良好的NiS/NCS界面效应是电化学电容器应用的关键因素。这些NiS/NCS二元杂化微球在电流密度为1 A g时表现出221.4 m Ah g的高比容量。NiS/NCS||AC的能量密度达到44.3 Wh kg,功率密度为810.9 W kg并且循环4000圈后比容量保持率为82.5%。密度泛函理论(DFT)计算表明,NiS/NCS复合材料增强了费米能级附近的Ni d轨道电子态,同时d轨道独特的电子排列协同促进了整个复合氧化还原反应。混合结构电极的概念可以作为开发高能量密度超级电容器的一个有前景的选择。(3)多元过渡金属硫化物拥有两种甚至多种金属元素,在电化学反应过程中可以提供丰富的氧化还原反应。其中,NiCoS由于其优越的理论比容量以及良好的导电性被广泛研究。悬铃木作为一种常见的行道树,每年秋天会产生大量的绒毛。悬铃木绒毛作为一种常见的生物质模板拥有丰富的氮元素以及大的比表面积。将悬铃木绒毛经过脱脂、盐处理、碱处理以及高温煅烧后获得的多孔碳作为导电基体去支撑NiCoS。其中,生物质多孔碳不仅可以改善电导性还抑制长循环过程中活性颗粒聚集。NiCoS/IPC电极比NiCoS电极具有更优越的电化学性能。此外,用制备的NiCoS/IPC正极和IPC负极组装了混合型超级电容器。与NiCoS||IPC相比,NiCoS/IPC||IPC拥有增强的能量密度和稳定性。

关键词：混合型超级电容器镍基化合物生物质炭第一性原理

镍基化合物/碳复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用

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镍基化合物/碳复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用

作者：杨冬冬吉林大学

学位级别：硕士

随着电动汽车和消费性电子设备的飞速发展,对于锂离子电池的需求也在急剧增加。而目前的商用石墨负极,由于受限于其较低的理论容量,因而很难满足实际发展的需要。因此,对于高性能负极材料的探索变得至关重要。在大量的负极材料中,镍基... 详细信息

随着电动汽车和消费性电子设备的飞速发展,对于锂离子电池的需求也在急剧增加。而目前的商用石墨负极,由于受限于其较低的理论容量,因而很难满足实际发展的需要。因此,对于高性能负极材料的探索变得至关重要。在大量的负极材料中,镍基化合物凭借其高理论容量、储量充足、环境友好等优势而备受研究工作者青睐,特别是NiO和NiS,在锂离子电池中都展现出了很高的理论容量(>700 mAh g)。然而,固有的低电导率以及循环过程中严重的体积变化是这两种电极材料所面临的关键性问题。如何有效缓解这些问题对电极材料本身的影响,并充分发挥材料的储锂潜能,成为当前研究者们共同努力的方向。目前的大量研究表明,以碳基材料为基体来构筑具有纳米结构的复合材料对于活性材料整体的导电性和稳定性都有很明显的改善。基于对上述问题的综合考虑,本文以SiO为模板,通过合理设计三维多孔碳骨架和镍基化合物的复合材料来有效改善镍基材料在导电性和结构稳定性方面存在的不足。主要研究成果包括:(1)采用SiO硬模板并结合水热处理、高温退火和化学刻蚀等方法成功制得了氧化镍/中空碳球/还原氧化石墨烯复合材料(NiO/HCSs/rGO)。该复合材料中的中空碳球能够作为NiO纳米粒子均匀分散的基体,可有效减少颗粒团聚,也能与NiO纳米粒子直接紧密接触,从而改善电极材料整体的导电性。而且,微小的NiO纳米粒子既能有效缓解充放电过程中出现的体积变化,也能暴露出更多的储锂活性位点,这有助于提高电极材料的可逆容量和循环稳定性。此外,石墨烯的引入能够提供导电网络,有效连接各个NiO/HCSs单元,从而进一步改善复合材料整体的导电性。因此,将其用于锂离子电池负极时,NiO/HCSs/rGO电极表现出了良好的倍率性能(在电流密度为10 A g时,容量为257.7 mAh g)和循环稳定性(在电流密度为5 A g时,经过1000圈的循环后容量为309.9 mAh g)。(2)以SiO为模板,我们先合成了头盔状碳骨架负载NiO纳米颗粒的复合材料(NiO/CNHs),后续通过高温硫化处理,最终制得了NiS/CNHs复合材料。该复合材料充分结合了NiS的高理论容量以及碳材料的高导电性和稳定性。微小的NiS纳米粒子均匀固定在开放的CNHs上,不仅能有效缓解NiS在充放电过程中的体积改变,也有助于改善复合材料整体的导电性。而且,三维开放多孔的CNHs也为电解液扩散和电荷转移提供了更多便利的通道。得益于以上优势,作为锂离子电池负极材料,NiS/CNHs展示出了优异的循环稳定性(在电流密度为5 A g时,3000个循环周期后的容量为490 mAh g)和倍率性能(在电流密度为10 A g时的容量为412 mAh g),优于其他的硫化镍基负极材料。

关键词：去模板法镍基化合物碳基体锂离子电池负极材料电化学性能

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高比能量镍基化合物的混合超级电容性能研究

高比能量镍基化合物的混合超级电容性能研究

作者：黄成浩青岛大学

学位级别：硕士

新能源材料与电子设备、电动汽车等产业的蓬勃发展,使得人们对于高性能储能设备的要求越来越高。混合超级电容器因其同时具有电池型电极的高能量密度和电容型电极的高功率密度,受到了研究者的广泛关注。但是其能量密度仍不能很好的满足... 详细信息

新能源材料与电子设备、电动汽车等产业的蓬勃发展,使得人们对于高性能储能设备的要求越来越高。混合超级电容器因其同时具有电池型电极的高能量密度和电容型电极的高功率密度,受到了研究者的广泛关注。但是其能量密度仍不能很好的满足实际应用的需求,因此提高混合超级电容器的能量密度是发展高性能可商业化混合超级电容器器件的重中之重。基于此,本文通过研究高性能电池型电极材料来提高混合超级电容器的能量密度。通过不同方法制备了高性能非晶镍基化合物,改善了电池型电极与电容型电极不匹配问题,提高了混合器件的能量密度。同时,可控制备了高性能多金属普鲁士蓝类似物材料,其在水系电解质中具有更宽的电压范围,进一步提高了混合器件的能量密度。主要分为以下几个部分:(1)通过水解转化前驱体的方法合成了一系列不同阳离子取代的非晶镍基氢氧化物。乙二醇溶剂为过渡金属离子的逐步水解提供了温和的环境,从而形成了非晶态过渡金属氢氧化物。非晶氢氧化物具有更多的晶界和离子扩散通道实现了比结晶氢氧化物更佳的电化学性能。此外,不同过渡金属离子替代镍离子,可以进一步提高了非晶氢氧化物的电化学储能性能,非晶NiCo–OH表现出最佳的电化学性能。基于非晶NiCo–OH的混合超级电容器实现了高比能量、高比功率和超长循环寿命。(2)基于非晶结构电化学性能的优越性和双金属非晶化合物制备的挑战性,首次使用阳离子交换法制备了双金属非晶氢氧化物。通过阳离子交换反应,将非晶Ni(OH)与Co,Mn,Cu和Zn交换,从而获得了一系列双金属非晶氢氧化物样品。其中,非晶Ni–Co氢氧化物表现出优异比容量、倍率性能和循环稳定性。同时,基于非晶NiCo–OH的混合超级电容器实现了高比能量和功率性能,进一步证实了非晶NiCo–OH样品出色的电化学性能。(3)通过调节柠檬酸盐的添加量,合成了一系列形貌均一的过渡金属铁氰酸盐(MHCFs)即普鲁士蓝类似物。研究发现柠檬酸盐可以调控MHCF的成核和生长速率,从而形成了具有低Fe(CN)空位和高碱金属含量的高结晶度普鲁士蓝类似物,在水系和有机电解质中均表现出优异的钠离子存储性能。这种方法可以普适性的合成Co、Ni、Mn和Zn等一系列过渡金属的普鲁士蓝类似物。此外,研究了不同过渡金属基普鲁士蓝类似物在水系电解质中的钠离子储能性能,发现普鲁士蓝类似物中的过渡金属组分可以调节普鲁士蓝类似物的钠离子储能性能。其中,CoHCF纳米立方体样品在电流密度为1 A g时实现了307 C g的比容量,优于其他过渡金属基MHCFs。CoHCF样品还表现出优异的循环稳定性,在水系电解质中可以稳定循环12,000次(92%),在有机电解质中可以稳定循环10,000次(78%)。

关键词：非晶氢氧化物镍基化合物普鲁士蓝类似物高比能量储能器件混合超级电容器

阴离子型配体镍基正极材料在水系碱性电池中的储OH^(-)性能

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武汉大学学报:理学版 2023年第4期69卷 463-468页

作者：耿孟资杨航启彭创武汉大学资源与环境科学学院湖北武汉430079

采用电沉积法制备了Ni(OH)_(2)、Ni_(3)N、Ni_(3)S_(2)3种不同阴离子型配体的镍基化合物,并对比了其在水系碱性电池中的储OH^(-)性能。研究发现,在循环过程中,Ni_(3)S_(2)表现出最高的初始放电容量(230 mAh/g),扫描200圈后为115 mAh/g;... 详细信息

采用电沉积法制备了Ni(OH)_(2)、Ni_(3)N、Ni_(3)S_(2)3种不同阴离子型配体的镍基化合物,并对比了其在水系碱性电池中的储OH^(-)性能。研究发现,在循环过程中,Ni_(3)S_(2)表现出最高的初始放电容量(230 mAh/g),扫描200圈后为115 mAh/g;而Ni_(3)N表现出最高的库仑效率(98.5%)。分析其原因,典型的电池型Ni(OH)_(2)材料在OH^(-)脱嵌过程中伴随着晶体结构的坍塌,造成循环性能和离子迁移能力快速下降;而兼具赝电容特性的Ni_(3)S_(2)和Ni_(3)N因无定形的脱嵌过程缓解了结构的坍塌,从而获得较高的电化学储OH^(-)性能。

关键词：水系碱性电池镍基化合物阴离子配体电沉积

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镍基储能材料的制备及电化学性能研究

镍基储能材料的制备及电化学性能研究

作者：高兴龙齐鲁工业大学

学位级别：硕士

超级电容器具有快速充放电、长的循环稳定性和高的功率密度的特点,已成为储能器件的重要研究方向之一。然而,相对较低的能量密度是超级电容器主要的缺点,这严重限制了它在市场领域的应用与发展。电极材料的性能好坏直接影响超级电容器... 详细信息

超级电容器具有快速充放电、长的循环稳定性和高的功率密度的特点,已成为储能器件的重要研究方向之一。然而,相对较低的能量密度是超级电容器主要的缺点,这严重限制了它在市场领域的应用与发展。电极材料的性能好坏直接影响超级电容器整体性能,因此,合理有效的设计电极材料对超级电容器电化学性能的提升有着重要的意义。本论文中,通过以过渡金属化合物——镍基材料为正极,以碳基材料——生物碳为负极材料进行了超级电容器的有效设计。其中我们设计并制备了分层Ni CO/Ni(OH)纳米球正极材料,以针叶松的松花瓣为原材料制备了多孔蜂窝状生物碳(PBC)为负极材料,进行组装混合超级电容器。除此之外,我们以玉米须为原料制备了三维多孔网络状生物碳(PCC)负极材料,并以其为基底,成功制备了1D纳米纤维/2D纳米片Ni(OH)/PCC并组装了混合超级电容器。具体研究内容如下:1.通过两步水热法合成了一种由Ni CO纳米棒和Ni(OH)纳米球组成的分层Ni CO/Ni(OH)纳米球体。这种Ni CO/Ni(OH)纳米球正极材料,具有独特的分层结构,为氧化还原反应提供了丰富的镍活性位点和优异的电荷存储能力,其次这种双镍基异质结构间还具有极大的镍离子亲和性和协同效应,有利于提高电荷转移电阻,加速离子传输。在1 A g的电流密度下,Ni CO/Ni(OH)提供了668 C g的优良比容量。此外,以水热-煅烧法制备的松花瓣蜂窝状多孔生物质衍生碳表现为高比表面积与氮元素的自掺杂的特性,显示出了优良的电化学性能,在1 A g下其比电容能够达到249.7 F g。2.通过一步水热法与煅烧法制备了三维多孔网络状玉米须生物质衍生碳,并通过一步水热法,在上面生长了1D和2D共存的Ni(OH)纳米结构。得益于高导电性PCC的多孔结构和3D开放骨架,再加上独特的1D纳米纤维和2D纳米片复合纳米结构,有利于暴露大量的活性位点,为离子传输提供更多的自由空间和长期充放电循环的结构稳定性。其次,高导电性的氮掺杂PCC的引入也有利于暴露更多的活性位点和促进电解质离子的运输。通过DFT计算表明,1D/2D Ni(OH)/PCC具有较高的电导率和OH吸附能。因此,1D/2D Ni(OH)/PCC电极在1 A g表现出655.9 C g的高比容量。3.基于分层Ni CO/Ni(OH)纳米球正极和PBC负极组装的Ni CO/Ni(OH)||PBC混合超级电容器在电压窗口为1.7 V时显示出了31.07 Wh kg的高能量密度与833.47W kg的功率密度。这种具有生物碳与双镍基复合材料的创新分层体系为高性能HSC的设计提供了先进的启示。此外,组装的1D/2D Ni(OH)/PCC||PCC超级电容器表现出38.6 Wh kg的优越能量密度和1.03 k W kg功率密度。这项工作展示了一种制造具有高能量密度的分层氢氧化物/生物碳复合电极材料用于高性能电化学超级电容器的有效策略。

关键词：混合型超级电容器生物质衍生碳分层结构镍基化合物第一性原理

二维结构镍基纳米材料的合成及其在能源转换中的应用研究

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二维结构镍基纳米材料的合成及其在能源转换中的应用研究

作者：杨蕊兰州大学

学位级别：硕士

发展先进的能源转化技术,如电催化水分解、二次金属-空气电池等离不开高性能电催化剂的开发和应用。作为传统铂、铱、钌基贵金属催化剂的有效替代品,镍因其独特的电子结构、丰富的储量及协同效应等可作为电催化剂中的有效组分去优化材... 详细信息

发展先进的能源转化技术,如电催化水分解、二次金属-空气电池等离不开高性能电催化剂的开发和应用。作为传统铂、铱、钌基贵金属催化剂的有效替代品,镍因其独特的电子结构、丰富的储量及协同效应等可作为电催化剂中的有效组分去优化材料的电子结构、表面吸附特性等,从而提升材料的电催化活性。此外,纳米结构设计对于材料的催化活性也有着重要影响,其中二维纳米结构通常具有较大的表面原子暴露比、丰富的边缘位点、有效的传质传荷等特性,从而有利于催化剂活性位点的暴露和固有活性的增强。而如何采用简单有效的合成及调控方法对材料电子结构进行优化,缓减二维纳米片在催化过程中的团聚,并增强其结构稳定性是当前发展二维镍基电催化剂的关键。本文以二维结构镍基化合物为研究对象,通过掺杂和异质结构构筑的策略对材料性能进行调控。同时借助X射线光电子能谱、电子自旋共振和原位拉曼等表征手段,对材料的结构进行表征、对催化过程进行原位监测,并对构效关系进行初步探索,为优化二维结构镍基纳米材料的电催化活性和稳定性提供参考。首先,选择层状结构的Ni(OH)作为研究对象,通过Fe掺杂策略对Ni(OH)纳米片中氧空位浓度和Ni位点电子结构进行调控。其中NiFe氢氧化物纳米片表现出最优的氧催化活性,以其作为空气电极材料组装成锌空电池,该电池在较宽的温度范围内(-10 C-40 C)可表现出良好的充放电循环稳定性。此外,以Ru阳离子对二维多孔NiCoO纳米片进行表面调控,表征结果表明,Ru的引入增大了NiCoO纳米片中的氧空位浓度、电化学活性面积,并降低了材料的电荷转移阻抗,从而有效提升了Ru-NiCoO纳米片的电催化活性。利用Ru-NiCoO纳米片组装成水全分解装置,施加1.60 V的电压即可达到10m A cm的电流密度,其稳定性和活性均优于Pt/C||Ru O体系。最后,发展了电沉积-煅烧的方法来合成二维Ni-NiO纳米片,通过控制煅烧温度(100 C-400C)可有效调控NiO的结晶度,得到系列晶态Ni-非晶NiO和晶态Ni-晶态NiO异质纳米片。其中在160 C下煅烧得到的晶态Ni-非晶NiO样品具有最优的析氢活性,其在10 m A cm处的过电势为76 m V。且与晶态Ni-晶态NiO相比,其具有更低的表面功函和电荷转移阻抗,从而有利于促进电子转移和HER催化活性的提升。

关键词：镍基化合物二维结构电催化能源转换

基于MOFs构筑镍基电极及其在超级电容器中的应用

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基于MOFs构筑镍基电极及其在超级电容器中的应用

作者：杨仕轩大连理工大学

学位级别：硕士

作为新兴绿色电化学储能器件,超级电容器一直备受人们关注。然而,低能量密度阻碍了其进一步开发。为填补日益增长的能源短缺问题,开发高性能电极材料是解决问题的关键。镍基化合物因具有高理论容量、丰富的储量以及经济环保等优势,成为... 详细信息

作为新兴绿色电化学储能器件,超级电容器一直备受人们关注。然而,低能量密度阻碍了其进一步开发。为填补日益增长的能源短缺问题,开发高性能电极材料是解决问题的关键。镍基化合物因具有高理论容量、丰富的储量以及经济环保等优势,成为超级电容器电极材料的热点研究对象。然而,镍基化合物较差的导电性和结构稳定性限制了镍基材料在超级电容器领域的进一步应用。本文以MOFs材料为研究介质,利用低维基底的结构导向作用,构筑低维镍基MOFs复合物和MOFs衍生的镍基复合物,从而调控电极材料的理化特征,提升镍基复合物导电性和循环稳定性,优化电化学性能。以BDC为有机配体,Ni为金属中心,通过TiCT MXenes表面的含氧官能团诱导制备TiCT/Ni-MOFs微米带。MXenes的存在不仅可以提高复合材料的导电性,还能提供额外的双电层电容和法拉第赝电容。在Ni-MOFs微米带和MXenes的协同效应下,TiCT/Ni-MOFs微米带提供了丰富的反应位点,并缩短离子传输路径促进离子转移。在1 A g的电流密度下表现出1124 F g的高比容量,在20 A g下依旧可以达到697 F g的比容量(62%的容量保持率)。以1D Co-CH纳米线作为基底,在其表面诱导生长Ni-MOFs,形成均匀的一维复合材料。形成的异质界面增加了活性位点,改善了电子排布并加快了电荷转移速率。同时,构筑的核-壳结构可以增加OH离子的吸附能,促进电化学活性,促进电极材料的可逆氧化还原反应的进行。因此,Co-CH@Ni-MOFs电极在1 A g下表现出1246 F g的高比容量,并且在150 A g下仍有70.3%的容量保持率。此外,组装的Co-CH@Ni-MOFs//AC非对称超级电容器在800 W·kg时,能量密度可达58.0 W·h·kg,在16000 W·kg下保持29.9 W·h·kg的能量密度。以TiCT MXenes作为结构导向基底均匀生长Co-二甲基咪唑(Co-Mim),通过自模板转化策略合成NiCo-LDH/TiCT。所制备的复合材料继承了Co-Mim前驱体的形貌,并且所形成的NiCo-LDH与MXenes充分接触。复合材料的构筑不仅提高了导电性,还暴露了丰富的活性位点,从而进一步优化其电化学性能。此外,理论计算表明LDHs与TiCT MXenes耦合可以增加电化学反应活性和OH离子的吸附能,改善电极材料中的可逆氧化还原反应动力学。因此,NiCo-LDH/TiCT的电极在1 A g下表现出1030 F g的高电容,在50 A g下依旧保留61%的初始比容量,相应的非对称超级电容器在800W kg的功率密度下实现了59 W h kg的高能量密度。

关键词：超级电容器镍基化合物金属有机骨架化合物复合材料结构调控

NimX(X=O，P，S)/三维石墨烯复合材料的制备及其超电性能研究

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NimX(X=O，P，S)/三维石墨烯复合材料的制备及其超电性能研究

作者：翟云鹏江苏大学

学位级别：硕士

近年来,超级电容器由于其出色的安全性和高功率密度成为解决能源危机的重要手段之一。超级电容器的核心是电极材料的设计,镍基化合物由于具有出色的比电容和价格低廉而成为电极材料研究的热点。但是,单纯的镍基化合物导电性较差,而且在... 详细信息

近年来,超级电容器由于其出色的安全性和高功率密度成为解决能源危机的重要手段之一。超级电容器的核心是电极材料的设计,镍基化合物由于具有出色的比电容和价格低廉而成为电极材料研究的热点。但是,单纯的镍基化合物导电性较差,而且在循环过程中会出现团聚现象,导致在充电和放电过程中存在容量迅速降低以及循环稳定性差的缺点。因此,解决上述问题的一种有效方法是选择高导电材料进行复合。石墨烯作为低成本的高导电材料,其出色的比表面积,可以有效避免镍基化合物材料的团聚。石墨烯的大比表面积还可以有效缓冲循环过程中的体积变化,提高循环稳定性。但是,传统方法制备石墨烯存在过程繁琐和污染环境等缺陷。因此,本论文采用简单环保的方法制备出三维多孔石墨烯,进一步与镍基化合物进行复合,极大地提高了电化学性能。主要结果如下:1.利用改进的离子交换树脂法,用环保的富马酸替代金属催化剂,控制退火温度成功制备出大比表面积的三维石墨烯(3DG),避免了金属废弃物对环境的破坏。引入镍元素,退火得到Ni/3DG和Ni/NiO/3DG。通过调控原料中富马酸与乙酸镍的摩尔量比例来确定Ni/3DG中镍的最佳负载量,实现对组成比例的调控。结果表明,850℃为最佳退火温度。另外,当富马酸摩尔量是乙酸镍摩尔量的四倍时,得到的Ni/3DG-4的电化学性能最佳。进一步综合对比Ni/NiO/3DG和Ni/3DG-4的电容性能,发现Ni/NiO/3DG在0.5 A g电流密度下,具有524.5 F g的比电容。同样条件下,Ni/3DG-4的比电容只有426.9 F g。另外,Ni/NiO/3DG电极在3 A g电流密度下,2000次循环后电容保留率达到94.8%。Ni/NiO的赝电容特性和3DG的双电层电容特性之间的协同作用促进了电荷转移,加速了反应动力学,进而提高了电容性能;改进的离子交换树脂法不仅能够保护环境,而且富马酸能够作为额外的碳源,进一步提高比表面积,显著增强了复合材料的电化学性能。2.以合成的Ni/3DG-4作为前驱体,控制磷化温度合成NiP/NiP/3DG复合材料。结果表明,350℃下磷化得到的NiP/NiP/3DG-350复合材料的电化学性能最佳。电流密度为1 A g时,NiP/NiP/3DG-350的比电容为1414.1 F g,高于其他磷化温度下的NiP/NiP/3DG。两电极系统中,在10 A g的电流密度下,NiP/NiP/3DG-350//AC的能量密度可以达到25.8 Wh kg。不同相磷化镍之间的协同作用能够增大电荷存储的空间,充分发挥磷化镍的赝电容特性;合适的磷化温度和3DG的大比表面积能够改善NiP/NiP的分散性,显著增强了电容性能。3.以合成的3DG作为基质,进一步通过水热硫化合成NiS/NiS/NiS/3DG复合材料。调控3DG的添加质量以确定最佳的质量。结果表明,当3DG添加质量为10 mg时,NiS/NiS/NiS/3DG-10的电容性能最出色。NiS/NiS/NiS/3DG-10在1 A g电流密度下,比电容为2454.1 F g,远远高于单纯的NiS/NiS/NiS电极材料(1125.6 F g)。两电极系统中,在极高的10 A g电流密度下,NiS/NiS/NiS/3DG-10//AC的能量密度高达51.7 Wh kg。不同相硫化镍的协同作用可以增大电荷存储的空间;特殊的花状结构也为缓冲体积变化提供了额外的大空间,提高了循环稳定性。另外,合适的3DG添加质量能够有效促进颗粒的分散,有助于加快电解质渗透和离子传输。因此,显著增强了复合材料的电化学性能。

关键词：超级电容器富马酸三维石墨烯离子交换树脂法镍基化合物

超级电容器用镍基复合电极材料的制备与性能研究

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超级电容器用镍基复合电极材料的制备与性能研究

作者：祁星耀太原理工大学

学位级别：硕士

超级电容器具有充电时间短、比容量和能量密度高、循环寿命长、环境友好等优势,是发展先进储能技术的重要分支,在电力系统、高频储能、车辆辅助动力电源和轨道交通领域应用前景广阔。电极材料是影响超级电容器性能的关键。在目前已知的... 详细信息

超级电容器具有充电时间短、比容量和能量密度高、循环寿命长、环境友好等优势,是发展先进储能技术的重要分支,在电力系统、高频储能、车辆辅助动力电源和轨道交通领域应用前景广阔。电极材料是影响超级电容器性能的关键。在目前已知的各种电极材料中,Ni的氧化物及氢氧化物不仅成本较低,而且具有独特的氧化还原特性和较高的理论比电容值,因而被广泛认为是一种具有发展前景的赝电容类电极材料。但Ni O电极材料存在电子导电率较低、循环稳定性和倍率特性较差的问题,为了解决这些问题,研究人员提出了制备纳米结构的Ni O以及将Ni O与其他导电材料进行复合的改进方案。本文以镍基复合材料为主要研究对象,通过调整掺杂离子的比例、配位剂辅助调整形貌和高温煅烧等方法,获得了形貌均一、尺寸较小、结构规整的免粘结剂自支撑电极,并研究了其电荷存储特性,主要内容和研究结果如下:1、采用一步水热方法,在泡沫镍基底上制备了Co掺杂Ni(OH)电极,该复合材料由Co掺杂Ni(OH)纳米花包覆在泡沫镍骨架上。电化学测试结果表明,该方法制备的无粘结剂自支撑Co掺杂Ni(OH)电极具有良好的电化学性能(在4 m A cm的比容量为2765.24 F·g),远远高于其他相似电极材料的比容量。与AC组装成水系超级电容器,获得高达44.99 Wh kg的能量密度(功率密度为485.71 W kg时),并且在30 m A cm的电流密度下循环3000圈后具有86.12%的比容量保持率。2、采用水热反应和煅烧两步方法在泡沫镍上合成了附着良好的小颗粒自组装而成的Ni CoO纳米针阵列。该电极在三电极电化学测试中表现出优异的电化学性能,在2 m A cm时比容量达到2.8 F cm(1311.870 F·g),持续充放电4000次后比容量保持率为171.90%。组装的Ni CoO/NF//AC混合超级电容器也展现出良好的储能性能和应用前景,循环5000圈后比容量保持率为85.19%,并且在能量密度32.73 Wh kg下实现了850 W kg的高功率密度。

关键词：镍基化合物掺杂阵列结构钴酸镍电极材料