检索结果-南通市图书馆

作者：谭晓欣广州大学

学位级别：硕士

超级电容器(SCs)是一种介于传统物理电容器和电池之间的新型储能系统,电极材料的选择对超级电容器技术的发展有显著的影响。双金属氢氧化物(LDH)基材料由于其优良的阴离子插入效率和优越的氧化还原反应,具有较高的比电容,已成为SCs的理... 详细信息

超级电容器(SCs)是一种介于传统物理电容器和电池之间的新型储能系统,电极材料的选择对超级电容器技术的发展有显著的影响。双金属氢氧化物(LDH)基材料由于其优良的阴离子插入效率和优越的氧化还原反应,具有较高的比电容,已成为SCs的理想候选材料。然而,LDH的层状结构易聚集和导电性差等问题限制了其进一步的发展。本文根据近年来研究者对以上问题的解决方法,通过调节金属原子比、表面活性剂预处理、与过渡金属硫化物复合以及引入新型二维材料等改性策略制备出具有三维结构、高容量、良好导电性等优势的过渡金属基复合电极材料。主要工作内容及成果如下:(1)通过一种简单快捷的一步电沉积法策略,以泡沫镍为原位生长的集流体,制备了NiCoLDH纳米材料。首先探究了不同镍钴比例对LDH基材料的形貌和电化学性能的影响。具有蝴蝶兰纳米花结构的NiCoLDH-1:2表现较好电化学性能,在1 m A/cm下表现5.10 F/cm的比电容,电流密度增大50倍后电容保留率仍有65%。随后还探究了不同表面活性剂预处理泡沫镍基底对镍钴氢氧化物形貌结构和储能性能的影响。结果表明使用聚乙烯吡咯烷酮辅助合成的NiCoLDH具有稳定的结构,密集生长的纳米花所构建的三维导电网络促进了电解质与电极材料的接触。因此,NiCoLDH-PVP在1 m A/cm下,具有6.35 F/cm的比电容;组装的NiCoLDH-PVP//AC不对称超级电容器在功率密度为800 u W/cm时能量密度可到741 u Wh/cm。(2)采用两步电沉积法制备了NiCoLDH/Ni-Co-S复合材料。以NiCoLDH-PVP为生长骨架,利用恒电位(循环伏安)电沉积法原位生长镍钴硫化物。Ni-Co-S的加入不仅改善了复合材料的导电性,而且带来了丰富的法拉第氧化还原反应。此外镍钴氢氧化物和镍钴硫化物之间的协同作用,暴露出了更多的反应位点,促进了离子和电子的快速转移,进一步提高复合电极的充放电性能。在循环伏安-恒电位电沉积法下制备的NiCoLDH/Ni-Co-S-1200s在1 m A/cm下具有9.52 F/cm的比电容。而采用循环伏安-循环伏安电沉积法制备的NiCoLDH/Ni-Co-S-8C在1 m A/cm下拥有10.85 F/cm的比电容,与AC电极组装的非对称超级电容器在功率密度为800 u W/cm,能量密度可到1060u Wh/cm。(3)在两步电沉积法制备镍钴基复合物的基础上,在第二步电沉积过程中引入新型二维材料MXene,制备了具有高性能的NiCoLDH/Ni-Co-S/MXene复合电极材料。作为高导电率材料的MXene为复合材料提供了高效的离子/电子传输路径。此外在电沉积过程中带负电荷的MXene纳米片可控制金属阳离子的分布,诱导生成了排列整齐的纳米花阵列。该复合材料在1 m A/cm下具有12.05 F/cm的出色比电容,与AC电极组装的NiCoLDH/Ni-Co-S/MXene//AC器件也展现出较高的实际应用价值,在功率密度为800u W/cm,能量密度可到1191 u Wh/cm。

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多元镍钴化合物电极材料的制备及其电化学储能研究

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作者：余大江浙江理工大学

学位级别：硕士

近年来,3d过渡金属氧化物因其具有较高理论容量成为锂离子电池和超级电容器备受关注的一类电极材料,其中以Ni和Co的氧化物最为引人注目,但是Ni和Co的氧化物电导率不高,导致其循环性能和倍率性能较差,是阻碍他们应用的关键科学问题。研... 详细信息

近年来,3d过渡金属氧化物因其具有较高理论容量成为锂离子电池和超级电容器备受关注的一类电极材料,其中以Ni和Co的氧化物最为引人注目,但是Ni和Co的氧化物电导率不高,导致其循环性能和倍率性能较差,是阻碍他们应用的关键科学问题。研究发现,将两种或两种以上的金属元素复合成多元金属氧化物,能减小材料的禁带宽度,提高电子电导率。由于Ni、Co的物化性质相似,电化学窗口相近,因此将Ni、Co复合成双金属化合物是可行的,为解决过渡金属氧化物循环性能和倍率性能不足的问题提供了一条新的途径。电极材料的形态和尺寸是影响其电化学性能的一个重要因素,将电极材料设计成特殊的纳米结构,能缩短离子在活性材料内的扩散路径,减小其迁移阻力,提高离子电导率,从而改善锂电池和超级电容器的电化学性能。因此,本文通过将Ni、Co复合形成双金属硫化物和氧化物,并配合设计新颖的纳米材料结构,以提高电极材料的电导率,进而改善其锂电池性能和赝电容性能,本文的研究内容如下:采用两次水热法和水热-高温煅烧处理在泡沫Ni上分别生长了NiCo2S4纳米管阵列和NixCo1-xMoO4(x=0、0.25、0.50、0.75和1.00)纳米片阵列。NiCo2S4纳米管的内/外径为0/100 nm,管长达μm,管壁厚20—30 nm,并呈现出一种有序的、高电导率的和大比表面的电极材料结构。NixCo1-xMoO4材料的晶体结构和微观形貌与Ni的相对含量有关。在晶体结构上,当x=0和0.25时,NixCo1-xMoO4材料为α/β-CoMoO4结构;当x=0.50、0.75和1.00时,则为α/β-NiMoO4结构。在微观形貌上,NixCo1-xMoO4材料呈二维纳米片状生长在泡沫Ni上,构成了一种有序的三维网络阵列结构。当Ni的相对含量改变时,纳米片的尺寸、厚度和片间孔隙等微结构均随之规律性变化。将NiCo2S4纳米管阵列和NixCo1-xMoO4(x=0、0.25、0.50、0.75和1.00)纳米片阵列作为锂离子电池阳极材料进行研究,发现NiCo2S4纳米管阵列和Ni0.50Co0.50MoO4纳米片阵列表现出优异的锂电池性能,包括高的实际容量、优异的循环稳定性和倍率性能。对于NiCo2S4纳米管阵列,在0.2C倍率的50次循环中,显示出720 mAh g-1的平均放电容量,稍大于NiCo2S4的理论容量(703 mAh g-1),当4C倍率测试后,电流密度恢复至0.2C,比容量仍为650 mAh g-1,达到初始0.2C下容量的93%。CV测试表明,NiCo2S4材料的电化学反应包含Ni、Co两部分的电化学反应行为。对于Ni0.50Co0.50MoO4纳米片阵列,在0.2C倍率下,其表现出与CoMoO4(86%)相当的循环性能,50次循环后的容量保持为89%,远高于NiMoO4的37%;而且拥有1100 mAh g-1的平均放电容量,比CoMoO4阵列(850 mAh g-1)提升了50 mAh g-1。4C倍率下,Ni0.50Co0.50MoO4阵列的放电容量仍为828 mAh g-1,占CoMoO4理论容量的85%,当电流密度恢复至0.2C,比容量为初始0.2C倍率的81%,显示出优异的倍率性能。CV曲线揭示,Ni、Co和Mo均能与Li发生电化学反应,对电池的容量有贡献。利用三电极体系对NixCo1-x MoO4(x=0、0.25、0.50、0.75和1.00)纳米片阵列/泡沫Ni复合材料进行超电容性能研究。NixCo1-xMoO4阵列的比电容、循环性能以及倍率性能均与Ni的相对含量有关。CV测试证实,NixCo1-xMoO4阵列的比电容主要归因于Ni和Co与OH-的法拉第赝电容反应行为,Ni的相对含量增加有助于NixCo1-xMoO4阵列比电容的提升。在4000次循环过程中,Ni0.50Co0.50MoO4和Ni0.75Co0.25MoO4阵列的电容表现出相似的线性变化,容量保持率分别为83%和85%,与CoMoO4阵列的86%大致相当;但第4000次循环的比电容(分别为1072和1137 F g-1)明显高于CoMoO4阵列的940 F g-1,表现出增强的充放电性能和循环稳定性。在20 mA cm-2倍率测试后,电流密度恢复至2 mA cm-2,Ni0.50Co0.50MoO4阵列的比电容仍为初始2 mA cm-2下的92%,显示出优异的倍率性能和循环稳定性。

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镍钴硫多级结构电极材料的制备及赝电容性能研究

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作者：李君上海师范大学

学位级别：硕士

随着全球经济的快速发展,化石燃料的日益枯竭,和环境污染日趋严重,毫无疑问,能源危机是现代社会面临的最紧迫和最关键的问题之一。日益增长的能源需求引发了全世界范围的关注和担忧,人类迫切需要开发环保、高效、低成本的生产和储存能... 详细信息

随着全球经济的快速发展,化石燃料的日益枯竭,和环境污染日趋严重,毫无疑问,能源危机是现代社会面临的最紧迫和最关键的问题之一。日益增长的能源需求引发了全世界范围的关注和担忧,人类迫切需要开发环保、高效、低成本的生产和储存能源。在众多储能技术和设备中,超级电容器因其高的功率密度、快速的充放电速率、良好的循环稳定性和环境友好性等优势,引起广泛关注,而成为新型的热门的储能器件。我国现在大力倡导新能源,上海的奥威公司生产的超级电容器公交车已经运行,超级电容器在其他方面也有实际的应用。超级电容器作为新型的储能器件是有很大的应用前景的。而电极材料是超级电容器最关键的因素。近年来,镍钴双金属硫化物成为超级电容器电极材料的研究热点。在一些报道中镍钴双金属硫化物不仅表现出优异的电性能,而且在实际应用中也取得很好的成就。本文以溶剂热的方法合成镍钴硫多级结构电极材料以及镍钴硫与碳材料的复合材料,并研究它们的赝电容特性,主要内容如下:(1)本文以六水氯化钴、六水氯化镍为金属源,硫脲作为硫源,乙醇和乙二醇作为溶剂,成功合成了CoNiS样品材料。利用X射线衍射仪(XRD)分析CoNiS样品材料的晶型,场发射扫描电镜(FESEM)分析CoNiS样品材料的形貌。FESEM图显示出的形貌,呈类球形的多级结构镍钴硫。将样品作为电极材料,利用三电极体系,测试CoNiS作为赝电容材料的电性能。在电流密度为在电流密度为1 A g,2 A g,3 A g,5 A g,10 A g,20 A g和30 A g的条件下,比电容分别为1473 F g,1441 F g,1426 F g,1400 F g,1362F g,1210F g,1070 F g。并且在5 A g循环2000圈,电容保持率为61.7%。(2)在前一章的基础上,这章加入2D结构的碳材料g-CN。由场发射扫描电镜(FESEM)和投射电子显微镜(TEM)测试的结果,可知g-CN是生长在CoNiS的表面,这使得CoNiS的表面具有更多的活性位点提供离子氧化还原反应的场所。电性能测试结果说明g-CN的加入使得电性能增加。恒电流充放电测试结果:当电流密度为30,20,10,5,3,2,1 A g时的比容量分别为1200,1304,1390,1465,1500,1521,1550 F g。电流密度增加到30 A g时电容保持77.4%,说明该材料由良好的倍率性能。在5 A g循环2000圈,电容保持率为71.9%。g-CN的加入增加活性位点也增加了导电性,说明g-CN与镍钴硫化物复合材料作为电极材料的新的研究方向。充分利用碳材料的良好导电性和金属硫化物高的比电容。以CoNiS@g-CN为正极材料,氧化石墨烯(RGO)为负极材料,组装不对称电容器时,最大的能量密度为19.6 Wh/kg,最大的功率密度为1470 W/kg。这些测试结果说明CoNiS@g-CN是比较有前途的赝电容电极材料。

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电化学沉积制备镍钴基复合材料及其超级电容器性能研究

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作者：高书亚郑州大学

学位级别：硕士

超级电容器因为超高的功率密度,快速充放电能力以及良好的循环稳定性受到了越来越多研究者的青睐。然而,相对较低的能量密度限制了超级电容器在实际中的应用。目前,常通过选择具有较高电容性能的活性材料或者组装不对称器件扩大工作电... 详细信息

超级电容器因为超高的功率密度,快速充放电能力以及良好的循环稳定性受到了越来越多研究者的青睐。然而,相对较低的能量密度限制了超级电容器在实际中的应用。目前,常通过选择具有较高电容性能的活性材料或者组装不对称器件扩大工作电位等方法来提高超级电容器的能量密度。镍钴双金属化合物理论比电容普遍较高,且来源广、成本低,具有非常好的应用前景,然而在较大的扫描速率下的倍率性能和稳定性较差。石墨烯由于导电性好,比表面积大且可多次循环使用,和金属化合物复合后可以减弱充放电过程中体积变化或者粒子聚集,提高金属化合物的循环稳定性和速率性能。此外,将二者复合得到的三维多孔结构有助于复合材料的离子传输速率和电子转移速率的提高,进一步增强了整体电化学性能。本文通过水热和电沉积的方法,将镍钴双金属材料与石墨烯进行复合,得到了三维多孔结构的复合材料,并制备了不对称器件,系统的表征和测试了其结构、形貌和电化学性能。具体工作如下:1.以三维连续多孔泡沫镍为集流体和导电基底,通过水热法在泡沫镍上沉积RGO,然后电沉积负载镍钴氧化物,制备了NCG复合电极材料。(1)通过改变电沉积时间得到了NCG30,NCG50,NCG70三种复合材料。其中,NCG50呈现有序花瓣状多孔结构且电化学性能最好,在电流密度为1mA/cm2,沉积时间为50 min时,比电容高达2856 mF/cm2。(2)在(1)沉积时间为50 min条件下,改变镍钴摩尔比例,制备了不同镍钴摩尔比的NCG复合材料。从SEM中可以看出,镍钴摩尔比的不同对NCG复合材料的结构影响较大。NCG2呈现三维有序多孔结构且电化学性能最为优异,即当电流密度为1mA/cm2,镍钴摩尔比为2:8的复合电极材料比电容高达3172mF/cm2。在连续循环充放电5000次后,电容保持率仍为初始值的92%。(3)以NCG2作为正极材料,RGO作为负极材料组装了NCG2//RGO不对称器件,能量密度最大可达50 Wh/kg,功率密度最大可达5.6 kW/kg。与此同时,电位窗增加到了1.4V,在进行快速的充电处理后,可以持续点亮LED近5min,具有潜在的实际应用价值。2.直接通过两步电沉积法在泡沫镍上连续负载RGO和镍钴硫化物制备复合材料(NCS/G),结果如下:NCS/G复合材料呈现花瓣状多孔结构且在电流密度为50 mA/cm2时,电容值仍高达5540mF/cm2,与初始值相比,仅仅损失了19%,远远低于NS/G(30%)和CS/G(32%)的电容损失率;此外,NCS/G的循环稳定性较好,在5mA/cm2电流密度下连续循环充放电3000次后,比电容为5347mF/cm2,保持率为初始电容的91%。

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镍钴化合物超级电容器电极材料的制备及其性能研究

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作者：范嘉敏山西师范大学

学位级别：硕士

随着社会科技的进步与能源行业的快速发展,超级电容器以其独特的优势在储能器件中被广泛研究。作为新型储能器件,它具有功率密度大、充放电速度快、循环稳定性良好等优势,但低的能量密度使其发展与使用受到限制。电极材料是超级电容器... 详细信息

随着社会科技的进步与能源行业的快速发展,超级电容器以其独特的优势在储能器件中被广泛研究。作为新型储能器件,它具有功率密度大、充放电速度快、循环稳定性良好等优势,但低的能量密度使其发展与使用受到限制。电极材料是超级电容器的核心部分,因此,开发制备具有优异电化学性能的电极材料对超级电容器的发展至关重要。目前面临的最大问题是如何提高材料的比电容和超级电容器的能量密度,基于此,本研究采用溶剂热反应法结合高温煅烧法,制备出了具有高比电容的镍钴硫化物、镍钴硫化物与不同类型石墨烯的复合材料和镍钴氢氧化物电极材料。具体研究内容如下:***超级电容器电极材料的制备及其性能研究使用一步溶剂热法制备CoNiS材料。首先将六水合硝酸钴、六水合硝酸镍与九水合硫化钠按照一定的比例溶于乙二醇,然后使用反应釜在180℃下反应12 h,将反应后的产物洗涤干燥,最后使用高温管式炉煅烧,得到的产物即为CoNiS。扫描电子显微镜(SEM)表征结果显示其形状类似西兰花的顶部,为均匀的簇状纳米小颗粒;X射线光电子能谱(XPS)结果表明材料在进行法拉第氧化还原反应时,存在不同价态离子的协同作用;此外该材料还具有介孔结构与77.58 m/g的大BET比表面积。电化学测试结果显示,CoNiS材料具有良好的循环稳定性和高比电容,电流密度为1 A/g时的比电容为2537 F/g,循环5000圈CV后比电容仍保留88.2%,与单金属硫化物CoS和Ni S相比具有更优异的电化学性能。分别以CoNiS与活性炭(AC)为正负极材料组装成CoNiS//AC混合型超级电容器,在功率密度为375 W/kg时的能量密度为52.3 Wh/kg;在功率密度高达6001.5 W/kg时仍具有13.7 Wh/kg的能量密度,器件循环5000圈CV后的比电容保持率为75.8%,以上结果表明制备的CoNiS是一种适用于不对称超级电容器的电极材料。***/PGO电极材料的制备及其性能研究使用两步溶剂热法制备CoNiS/PGO材料。首先使用改进的Hummers法制备出氧化石墨烯GO,在此基础上使用水热法与溶剂热法制备出磷掺杂石墨烯PGO。使用2-甲基咪唑、无水甲醇与六水合硝酸钴制备出ZIF-67材料;后加入六水合硝酸镍、尿素、九水合硫化钠、PGO,以异丙醇和乙二醇为溶剂,进行两步溶剂热反应,制备出一种CoNiS/PGO电极材料。SEM的图像显示其具有明显的层状与片状结构,颗粒均匀附着在不规则的层状结构上,表明制备的材料为金属化合物与石墨烯的复合材料;BET测试结果显示CoNiS/PGO为介孔结构,具有56.48 m/g的高比表面积。电化学测试中,CV曲线具有明显的氧化还原峰,表现出了良好的法拉第氧化还原特性。电流密度为1 A/g时材料的比电容为1463.5 F/g,循环5000圈CV后的比电容保持率为89.99%。与活性碳组装成CoNiS/PGO//AC不对称电容器后,在功率密度为375 W/kg时的能量密度高达69.48 Wh/kg;功率密度为6000 W/kg时仍能保持38.33 Wh/kg的能量密度。循环5000圈CV后比电容保持率为87.56%,优于CoNiS//AC的电化学性能。3.镍钴氢氧化物超级电容器电极材料的制备及其性能研究使用一步溶剂热法,以ZIF-67为模板,无水乙醇为溶剂,用不同比例的钴盐和镍盐对其进行刻蚀,制备出具有中空笼状结构的镍钴氢氧化物CoNi-LDH。BET测试结果显示所制备不同比例的5种材料以介孔为主,均具有大于240 m/g的比表面积,极大地增加了活性位点进而促进了电子的传输。SEM表征结果显示,5种材料均具有中空笼状结构。根据电化学测试结果显示,当钴盐和镍盐物质的量比为1:3时,制备出的CoNi-LDH在1 A/g的电流密度下具有1485.11 F/g的高比电容,循环5000圈CV后的比电容保持率为103.98%。与活性碳组装成CoNi-LDH//AC不对称电容器后,在功率密度为392.5 W/kg时的能量密度高达49.07 Wh/kg,循环5000圈CV后的比电容保持率为67.92%。以上结果说明CoNi-LDH是一种高性能的超级电容器电极材料。

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过渡金属硫化物/氧化物电极材料的制备及其超级电容器性能的研究

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作者：孙瑶馨上海应用技术大学

学位级别：硕士

开发高性能、高能量密度和高功率密度的超级电容器,一直是可再生能源领域中的研究热点。过渡金属硫化物、氧化物具有多个活性位点,可加快电子传递和传质速度并能促进电解质向纳米电极内部扩散。基于此,本研究设计合成了三种具有潜在应... 详细信息

开发高性能、高能量密度和高功率密度的超级电容器,一直是可再生能源领域中的研究热点。过渡金属硫化物、氧化物具有多个活性位点,可加快电子传递和传质速度并能促进电解质向纳米电极内部扩散。基于此,本研究设计合成了三种具有潜在应用前景的储能电极材料,主要研究内容如下:1.采用一步溶剂热法（SL,Solvothermal）合成松塔状结构的Ni-Co-Sx纳米阵列。经过优化的Ni-Co-S4材料具有较高比电容（2215 F g-1在0.5 A g-1的电流密度）,并且10000次循环后电容器保留率依然为90.16%。此外,将Ni-Co-S4作为阳极与作为阴极的活性炭,组装成高性能不对称超级电容器（Ni-Co-S4//AC）,电化学测试结果表明,此超级电容器装置具有36.6 W h kg-1的高能量密度,并且两个串联的Ni-Co-S4//AC能够点亮LED长达15分钟。2.利用溶液法（Solution method）在泡沫镍上沉积Co-MOF材料,并以此为前驱体（Co-MOF/NF）。采用电化学沉积的方法,在此前驱体Co-MOF/NF表面电沉积Ni-Co合金,从而制备出一种无粘结剂和导电添加剂的Ni-Co@Co-MOF/NF纳米电极材料。Ni-Co@Co-MOF/NF材料完整均匀的覆盖在前驱体上,形成了类似纳米蜂窝状的三维交叉多孔结构。Ni-Co@Co-MOF/NF电极在1 A g-1电流密度下比电容高达2697.5 F g-1。以Ni-Co@Co-MOF/NF为阳极材料,活性炭（AC）为阴极材料,组装成非对称超级电容器Ni-Co@Co-MOF/NF//AC表现出良好的循环稳定性（10000次循环后电容器保留率80.2%）和最大能量密度61.4 W h kg-1（功率密度为853 W kg-1）。3.以金属有机骨架（Co-MOF）为模板,利用循环电沉积方法（EC,electrochemical co-deposition）,通过改变镀浴液温度在其上制备出CuCo2S4纳米材料。研究结果表明,当温度为45℃时,可制备出高性能的电极材料（CuCo2S4-45）,其微观形貌具有独特的多孔三维立体的超薄蜂窝状结构。CuCo2S4-45材料在1 A g-1下比电容达到3079 F g-1,当电流密度增大到20 Ag-1,比电容为2512 F g-1。与活性炭（AC）组成非对称超级电容器CuCo2S4-45//AC具有优异的循环稳定性（10000次循环后保留率为82.02%）,最大能量密度63.6 W hkg-1（功率密度为700 Wkg-1）,说明该材料具有巨大的实际应用性。

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微波水热法合成镍钴基电极材料及其电化学性能研究

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作者：陈超娴深圳大学

学位级别：硕士

超级电容器最大的优势是功率密度大,而能量密度不高。目前,提高超级电容器能量密度的方法主要有以下两种:开发具有高比电容的赝电容电极材料,以及组装非对称超级电容器,利用不同类型的电极材料之间的电势差,拓宽超级电容器的工作电压,... 详细信息

超级电容器最大的优势是功率密度大,而能量密度不高。目前,提高超级电容器能量密度的方法主要有以下两种:开发具有高比电容的赝电容电极材料,以及组装非对称超级电容器,利用不同类型的电极材料之间的电势差,拓宽超级电容器的工作电压,从而提高其能量密度。水热法是实验室规模最常用的制备电极材料的方法。但传统的水热法通常是耗时的,它需要几个小时到几天才能完成,这极大地限制了其工业应用。与常规加热方式相比,微波加热方式是通过内部偶极子的高频往复运动使物料内外部同时升温,加热速度快且均匀,降低了能耗,极大地缩短了处理时间。镍钴基化合物主要的问题是电解质离子扩散慢而引起其倍率性能低以及循环稳定性差。本文采用微波水热法制备了Ni CoO和Ni CoS两种镍钴基电极材料,并从调控材料的形貌和结构,优化集流体和活性材料界面这两方面进行实验设计,以克服镍钴基金属化合物的缺点,制备出具有更好电化学性能的电极材料。本论文主要研究内容和结论如下:采用微波水热法150°C下反应4 min,制备出Ni-Co前驱体,再结合退火处理合成Ni CoO(NCO),并改变煅烧温度制备了一系列NCO电极材料,探究煅烧温度对其结构和性能的影响。研究表明,通过简单的改变煅烧温度可以调控材料的表面缺陷和孔隙大小,制备出多孔的纳米线阵列结构。这种结构能增加材料电化学活性位点,提高电解质离子的传输速度。同时,使材料有丰富的空间来缓冲循环测试中的体积变化,提高循环稳定性。在煅烧温度为350°C获得的NCO具有较高的电容性能,在1 A g下,其比电容为648.69 F g,倍率性能有66.80%(1～20 A g)。在10 A g电流密度下,经10000次的GCD循环后,其比电容仍能保持80.00%,具有出色的循环稳定性。采用一步微波水热法合成了NiCoS(NCS),通过改变硫源和碱源得到一系列NCS电极材料,探究了两者对其形貌和性能的影响。研究表明,硫源和碱源对产物的形貌有很明显的影响。其中以TAA为硫源,尿素作碱源时,形成的是3D花状结构(NCS-4)。该结构是由破碎的正六边形纳米片结构单元组合成的复杂结构,既能发挥纳米结构的特性,又能避免团聚而暴露出更多的活性位点,使其具有相对较好的性能。在1 A g下,NCS-4比电容为1279.22 F g,并具有优异的倍率性能(20 A g时,电容保持率为70.20%)。在10 A g电流密度下,经4000次的循环后,其比电容保持了82.05%。为了进一步研究其实用性,将其组装成NCS-4//AC非对称超级电容器。该ASC的电位窗口高达1.65 V,且在功率密度为1.69 k W kg时其能量密度为50.13 Wh kg。在5 A g下进行5000次的GCD循环之后,NCS-4//AC的比电容保持率为83.10%,说明以TAA为硫源,尿素为碱源制备的NCS具有一定的应用潜能。为了提升NCS-4的电化学性能,在此基础上,获得在泡沫镍(NF)上原位生长的NCS-4/NF。研究表明,其由纳米薄片组成,且这些薄片间形成了大量的微孔,呈现三维互通的网络结构,有利于离子和电子的快速传输,使其具有优异的电容性能。在1 A g下,其比电容高达1506.94 F g(比NCS-4高227.72 F g)。在电流密度为10 A g下,循环充放电4000次后,其比电容保持率为94.74%,比NCS-4有很大提升,表明通过原位制备可以提高NCS-4的电容量和循环稳定性,这有利于进一步提高ASC的性能。

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基于ZIF制备的金属氢氧化物和硫化物及其电化学性能研究

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作者：熊文慧南昌大学

学位级别：硕士

原油、煤炭和天然气等化石燃料的广泛使用,不断消耗了有限的自然资源,加剧了空气污染和温室气体排放等环境问题。研究人员迫切需要探索和开发对环境友好、低成本和高效率的先进能源转换和储存技术。鉴于沸石咪唑酯骨架(ZIF)材料具有高... 详细信息

原油、煤炭和天然气等化石燃料的广泛使用,不断消耗了有限的自然资源,加剧了空气污染和温室气体排放等环境问题。研究人员迫切需要探索和开发对环境友好、低成本和高效率的先进能源转换和储存技术。鉴于沸石咪唑酯骨架(ZIF)材料具有高度可控的结构,能够产生多孔形貌,并且大多数ZIF的中心原子通常都是过渡金属离子,因此成为了超级电容器电极的理想材料。本文主要针对ZIF-Co/Ni仅通过添加金属盐转化为金属氢氧化物(LDH)的特点,合成结构独特的高比表面积金属氢氧化物和硫化物。(1)第一部分,通过调节金属离子和有机配体的配比,探究ZIF与其LDH的转化关系,由此开发出一种新型合成LDH的策略。以ZIF-Co和ZIF-Ni为例,得到合成Co-LDH和Ni-LDH的最佳摩尔配比,并应用于超级电容器。在金属离子和Hmim摩尔比在4:1时,两种材料在1 A g处均表现出最高的电化学比电容263.8和520.8 C g以及良好的倍率放电性能,优于其他比例下的材料。(2)第二部分,在第一系列的基础上,制备了一种由纳米颗粒组成的新型分级花状纳米片NiCoS。首先,沿用了第一系列金属离子与有机配体的摩尔比,直接合成NiCo-LDH;此外,以NiCo-LDH作为前驱体,通过进一步溶剂热硫化处理,得到由纳米颗粒组成的层状NiCoS。结果表明,在1 A g下,其比电容高达968 C g,并且拥有良好的循环稳定性(3000次循环后的仍保持83%),均优于Ni-LDH、Co-LDH和纯NiCo-LDH纳米片。(3)第三部分,在这项工作中,我们开发了一种简单的两步策略,在泡沫镍(NF)衬底上以牢固的附着力生长Ni-Co-S纳米片阵列(NSA),并将其作为超级电容器中的无粘结剂的正电极。首先,在NF上水热生长NiCo-LDH NSA,然后通过合适的硫化时间将其转化为Ni-Co-S@NF。正如预期的那样,Ni-Co-S@NF样品显示出1286 C g的高比电容。此外,使用所制备的材料组装了混合型超级电容器装置Ni-Co-S@NF//活性炭也表现出高能量密度(74 Wh kg)和高功率密度(850.0 W kg);在5000次充放电中保持87.2%的循环稳定性。

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过渡金属镍钴化合物中空结构的构筑及其在锂硫电池中的应用

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作者：吴乔丹贵州大学

学位级别：硕士

锂-硫电池（LSBs）不仅拥有超高容量和能量密度,而且因其丰富的单质硫存量以及低成本,以及对环境友好等优势而备受关注。但单质硫以及LiS/LiS导电性较差,氧化还原反应过程中不利的体积变化以及多硫化锂（Li PSs）的“穿梭效应”极大地... 详细信息

锂-硫电池（LSBs）不仅拥有超高容量和能量密度,而且因其丰富的单质硫存量以及低成本,以及对环境友好等优势而备受关注。但单质硫以及LiS/LiS导电性较差,氧化还原反应过程中不利的体积变化以及多硫化锂（Li PSs）的“穿梭效应”极大地限制了其性能。为了解决这一问题,本文主要利用过渡金属镍钴化合物对多硫化物与硫之间的螯合以增强Li PSs的可逆反应,同时其也是LiS化学吸附的Lewis酸位点的特性设计出具有对多硫化物高吸附性能的过渡金属镍钴化合物作为LSBs正极宿主材料,提升LSBs的性能。具体工作如下:（1）利用ZIF-67作为模板,制备出具有空心十二面体结构的Ni Co-LDH,将其作为正极宿主材料研究其性能。通过吸附测试以及利用添加LiS的电解液组装的对称电池的测试发现该材料具有对Li PSs的吸附以及催化转化作用。将Ni Co-LDH/S组装电池后在0.2 C下初次放电比容量为805 m Ah g,100次循环后容量保持率为47.2%,在1 C的大电流密度下,300次循环后的可逆比容量为334 m Ah g。结合交流阻抗谱测试,恒流充放电测试的库伦效率以及材料特性推测可能是导电性较差引起电化学反应效率较低。（2）利用水热硫化Ni Co-LDH空心十二面体前驱体合成具有空心十二面体结构的镍钴双金属硫化物。通过Ni Co-LDH前驱体中的镍钴比例调控镍钴硫化物空心十二面体的电化学性能。测试表明在0.2 C电流密度下Ni Co S-1（镍与钴原子比例为1:2）100次循环放电比容量从909 m Ah g下降到395 m Ah g,容量保持率为43%。在1 C下Ni Co S-1/S的初始比容量为800 m Ah g,首圈库伦效率为97%,300次循环后可逆容量为246 m Ah g,容量保持率为31%。Ni Co S-1不仅保留了对多硫化物优异的化学吸附性能,而且对多硫化物的催化转化以及导电性能提升明显,有利于加快电化学反应动力学。但是通过扫描电子显微镜观察发现制备的Ni Co S-1的十二面体结构出现大面积破损甚至骨架坍塌。结合镍钴硫化物自身物理特性以及LSBs固有的体积变化的缺陷,合理推测通过加强该材料的机械稳定性可以进一步提升性能表现。（3）利用盐酸多巴胺对合成的Ni Co-LDH进行包覆,之后再通过水热硫化以及高温重结晶/碳化合成具有氮掺杂碳包覆壳层的空心十二面体镍钴硫化物（Ni CoS@NC）。Ni CoS@NC有效解决了机械稳定性问题,并且对比未包覆前,比表面积得到增加,孔径尺寸也更小。这些改变有利于增大材料与电解液的接触面积以及离子扩散速率,限制Li PSs的“穿梭效应”。Ni CoS@NC/S（72%的硫含量）在0.2 C下的初始比容量为1170 m Ah g。在1 C大电流密度下,300次循环后容量保持率为61%,500次循环后的可逆比容量为420 m Ah g,对比包覆前电化学性能提升巨大。

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含羞草基活性炭的制备及其储能行为研究

引用

作者：尹航燕山大学

学位级别：硕士

由于超级电容器兼具高功率密度、快速充放电效率和良好循环稳定性,满足了市场对储能器件的广泛需求,存在巨大的发展潜力。电极材料性能的优劣直接影响了超级电容器整体的性能,目前研究致力于开发低成本、高能量密度的电极材料。含羞草... 详细信息

由于超级电容器兼具高功率密度、快速充放电效率和良好循环稳定性,满足了市场对储能器件的广泛需求,存在巨大的发展潜力。电极材料性能的优劣直接影响了超级电容器整体的性能,目前研究致力于开发低成本、高能量密度的电极材料。含羞草作为带电植物的杰出代表,其应对外界刺激产生的瞬时动力学响应机制得益于体内细胞液的定向流动,归根结底得益于其叶子具有丰富的微观多孔结构,除此之外还具有生物质碳材料本身良好的物理化学性质。基于此,本文创新性提出以带电植物含羞草为前驱体,经冷冻干燥技术预处理,通过碳化活化技术路线制备具有高比表面积、丰富孔结构的活性炭。为改善生物质碳材料较低的电容性能,通过溶剂热工艺将具有高比表面积和优良导电性的活性炭与具有高比电容的镍钴硫化物制备复合电极材料。通过多种电化学测试技术对制备的样品的电化学性能进行表征。研究发现,与茎作前驱体相比,以含羞草叶子单独作为前驱体制备的活性炭具有更优异的电化学性能。活化比例和活化温度对最终活性炭的形貌结构和电化学性能优劣至关重要。测试表征结果显示:活化比例为2,活化温度为750℃工艺条件下制备的活性炭比表面积高达1815 m g,孔容高达1.05 cm3 g,具有丰富的孔结构,包括微/介/大孔多级孔道炭结构。其在1 M H2SO4和6 M KOH媒介中均展现了优异的电化学性能。当电流为0.2 A g时,质量比电容分别为289 F g和257 F g,同时表现出优异的倍率性能以及循环稳定性,5000圈长循环后容量保持率分别是100%、98%。采用溶剂热法成功制备出镍钴双金属硫化物NiCoS以及复合电极材料AC/NiCoS,并探究了活性炭加入量对复合电极材料电化学性能的影响。纳米片状的NiCoS储能机制为典型的赝电容储能,具有较高比电容和良好倍率性能,电流密度为1 A g时,比容量高达1238 F g,当电流增大到20 A g时,比电容仍然保持在799 F g。随着活性炭加入量递增,制备的复合电极材料电容性能呈现先增加后降低的趋势,当加入10 mg活性炭时,复合电极材料电容性能最好,电流为1 A g,比电容高达1412 F g,较含羞草基活性炭和纳米片状NiCoS有明显改善。

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