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钴基硫化物及衍生物的制备在超级电容器上的性能研究

钴基硫化物及衍生物的制备在超级电容器上的性能研究

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作者：柯齐南昌航空大学

学位级别：硕士

近年来,随着太阳能、风能等可再生能源的不断发展,迫切需要先进的能源存储装置对能源转存和分配利用。超级电容器因为具有快速的充放电速率、高功率密度以及超长的循环使用寿命等特点,吸引了众多研究者的青睐。作为超级电容器中的一个... 详细信息

近年来,随着太阳能、风能等可再生能源的不断发展,迫切需要先进的能源存储装置对能源转存和分配利用。超级电容器因为具有快速的充放电速率、高功率密度以及超长的循环使用寿命等特点,吸引了众多研究者的青睐。作为超级电容器中的一个重要组成部分,选择合适的活性电极材料对超级电容器的优异性能具有非常重要的影响。电极材料是目前超级电容器的一个研究热点。钴基硫化物具有较高的机械和热稳定性、高的理论比容量、易改变的结构、价态多且具有丰富的晶体结构,在超级电容器领域具有很高的应用潜力。但是,它的比表面积低、电化学耐久性不足和速率能力低等缺点仍然阻碍了它的实际应用。为了改善这些缺点,并最大限度地将其优点充分利用,本论文通过诱导硫空位、构建空心结构以及引入多元复合材料的策略,设计制备了一系列钴基硫化物及衍生物电极材料,并在此基础上对合成条件进行了优化,最终得到最佳的电化学储能性能。主要的研究内容如下:1.通过简单的一步水热法将Cos2@Fe s纳米立方体负载在被还原的GO纳米片上,成功制备了Cos2@Fes/rGO复合材料,成功用于不对称超级电容器的正极。通过材料表征和电化学实验分析,全面研究了Cos2@Fes/rGO的结构和电化学性能,在过程中优化了GO的加入量,确定了Cos2@Fes/rGO-0.7是最合适的合成比例。稳定的结构和强的硫空位使得Cos2@Fes/rGO-0.7在电流密度为1 A/g时,具有4474.1 F/g的高比电容,并且10000次循环后仍有67%的电容保持率。以Cos2@Fes/rGO为正极,AC为负极组装成的Cos2@Fes/rGO-0.7//AC不对称超级电容器在功率密度为918.2 W/kg时,提供107.6 Wh/kg的超高能量密度;在8893.1 W/kg的功率密度时,依然有77.32 Wh/kg的能量密度。并且Cos2@Fes/rGO-0.7//AC不对称超级电容器拥有非常优秀的循环稳定性能,在10,000次充放电循环后,依然可以保持96.2.%的初始电容量。结果表明,2D纳米片结合3D纳米立方体结构的富含硫空位Cos2@Fes/rGO-0.7复合材料具有优秀的储能和稳定性能,在超级电容器领域具有良好的应用前景。2.通过简单的回流共沉淀和水热硫化反应成功合成了三维镍钴镉三金属硫化物空心纳米棱镜材料。通过表征测试和电化学测试全面的分析研究了nico Cd-s的微观结构和电化学储能性能,与硫化镍、硫化钴、硫化镉和硫化镍钴等电极材料对比发现,Cd的引入极大的提高了电极材料的电化学性能。nico Cd-s在电流密度为1 A/g时,具有1643.7 F/g的高比电容,并且10000次循环后仍有81.6%的电容保持率。以nico Cd-s为正极、AC为负极组装成的nico Cd-s//AC不对称超级电容器在功率密度为919.2 W/kg时,提供105.9 Wh/kg的超高能量密度;在7473.6 W/kg的功率密度时,依然有62.7 Wh/kg的能量密度。并且nico Cd-s//AC不对称超级电容器拥有非常优秀的循环稳定性能,在10,000次充放电循环后,依然可以保持88.5%的初始电容量。结果表明,三维镍钴镉三金属硫化物纳米棱柱复合材料具有优秀的储能和稳定性能,是非常有前景的超级电容器电极材料。3.利用ZIF-67作为形貌模板,在外加Ni2+和本身的Co2+的共沉淀作用下,在ZIF-67模板表面生成nico-ldh空心纳米笼,在进一步硫化后形成改善的nico-ldh-s。得到的产物继承了层状双氢氧化物和硫化物的优势,具有粗糙的表面形态、更多的有效活性位点和更强的导电性。nico-ldh-s电极材料在1 A/g的电流密度时比电容达到了2070 F/g,远远强于硫化前的nico-ldh。将nico-ldh-s和AC分别作为正负极电极材料,组装了nico-ldh-s//AC混合不对称超级电容器,在功率密度为978.43 W/kg时,nico-ldh-s//AC器件的能量密度高达121.78 Wh/kg;功率密度增加至8558.61 W/kg时,器件的能量密度依然保持有71.08 Wh/kg。即使经过10,000次GCD循环后,nico-ldh-s//AC混合超级电容器的电容量仍然有初始电容的71.6%,显示了器件优异的循环稳定性。研究结果表明,适度的用s掺杂来构建杂化电极材料是很有前途的,nico-ldh-s作为超级电容器电极材料具有广阔的应用前景。

关键词：超级电容器 Cos2@Fes/rGO nicoCd-s nico-ldh-s 空心结构硫化物

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